ESA

목성 공간에 오신 것을 환영합니다. 한쪽에는 우리 태양계에서 가장 큰 행성의 광대하고 흐린 얼굴이 어렴풋이 보입니다. 다른 하나에는 하늘의 스포트라이트처럼 쪼그라든 태양이 나타나며 지구 궤도에서 나오는 빛의 3%만이 이곳에 도착합니다. 이 기본적인 사실은 ESA의 Jupiter Icy Moons Explorer, Juice, 임무를 계획하는 사람들에게 주요 과제를 제시했습니다. 우리의 모항성으로부터 평균 7억 7,800만km 떨어진 우울한 환경에서 태양 에너지를 작동시키는 방법은 무엇입니까?

이론상으로는 가능했습니다. 지난 10년 동안 ESA의 태양열 동력 로제타 임무는 혜성과의 만남 임무를 위해 목성 궤도까지 모험을 떠났지만 부족한 전력을 절약하기 위해 31개월에 걸쳐 거의 완전한 동면 상태에 들어가야 했습니다.

Juice 우주선 관리자인 Christian Erd는 "이것이 걱정거리였습니다. 우리는 머나먼 어두운 곳으로 향하고 있었습니다."라고 말했습니다. "임무를 위해 제기된 최초의 기술 개발 활동 중 하나는 목성 주변에서 확실히 작동할 수 있는 태양 전지를 개발하는 것이었습니다. 좋은 소식은 로제타 시대 이후로 기술이 크게 발전했다는 것입니다."

최첨단 태양전지

태양전지 엔지니어인 Carsten Baur는 해결책을 찾는 임무를 맡았습니다. "Rosetta는 실리콘 태양전지가 여전히 최첨단이었을 때 비행했습니다. 그 이후로 우주 임무에 사용되는 표준 태양전지는 보다 효율적인 갈륨 비소로 옮겨갔습니다. 삼중 접합 셀 설계를 사용하는 기반 장치 - 세 개의 셀 층이 서로 겹쳐져 있으며 각 층은 햇빛의 서로 다른 파장에서 전력을 생성함을 의미합니다."

그 결과, Rosetta의 태양전지는 약 20% 효율을 달성한 반면, 최신 GaAs 삼중접합 전지는 약 30%에 도달했습니다. 하지만 단순히 일반 미션의 태양전지를 주스에 이식하는 문제가 아니었습니다. 그들은 목성 주변에 만연한 '저강도, 저온'(LILT) 조건에서 성능을 특별히 테스트해야 했습니다. 목성 주변에서는 우주선이 일식에서 나올 때 Juice의 태양 전지판 온도가 절대 온도보다 30°C까지 떨어질 수 있습니다. 영.

Carsten은 "환경이 바뀌면 행동도 변합니다"라고 덧붙입니다. "그래서 우리는 저조도 및 저온에 테스트 설정을 조정해야 했습니다. 우리는 유럽 태양 전지의 최신 버전인 독일 Azur Space의 3G30으로 시작했습니다. 이는 이전 버전의 3G28보다 실온에서 훨씬 더 나은 성능을 제공합니다. 그러나 낮은 온도에서도 마찬가지였습니다. 특정 열 활성화 결함이 있었기 때문에 3G28로 전환해야 했습니다."

유형을 선택한 후에도 개별 세포 배치에 대한 자세한 조사가 필요했습니다.

성능 테스트

"우리가 지구에서 받는 전력은 평방미터당 약 1360와트입니다."라고 Carsten은 설명합니다. "목성 외부의 전력은 실내에 있는 것과 마찬가지로 평방 미터당 50와트에 가깝습니다. 여전히 아무것도 아니지만 태양 전지를 작동하기 위한 표준 조건은 아닙니다. 태양 전지를 구성하는 반도체에 결함이 있으면 즉시 성능 저하로 이어질 것입니다. 성능."

어떤 반도체도 깨끗하지 않으며, 작은 '션트 경로' 결함으로 인해 햇빛에서 생성된 전류 중 일부가 빠져나갈 수 있습니다. 태양전지 엔지니어는 소위 '암전류'를 측정하여 이러한 션트 경로를 감지할 수 있습니다.

"지구 궤도에 있는 하나의 태양 상수로부터 500밀리암페어의 전류에서 2밀리암페어의 손실이 있다면 그것은 문제가 되지 않습니다. 그러나 목성에서 16밀리암페어로 떨어진다면 2밀리암페어는 상당한 손실이 될 것입니다. 특히 우리가 셀을 하나의 스트링으로 그룹화하면 가장 낮은 셀 전류가 스트링의 현재 출력을 지배하게 됩니다."

셀 배치의 암전류는 ESA 감독 하에 업계에서 체계적으로 측정되었으며, 샘플의 약 25%가 등급을 획득하지 못했습니다.

방사선: 보이지 않는 적

또 다른 과제는 목성 환경의 또 다른 주요 요인인 높은 방사선의 영향을 평가하는 것이었습니다.

Carsten은 다음과 같이 말했습니다. "정지궤도 통신 위성의 태양 전지는 물론 방사선에 노출됩니다. 우리가 발견한 것은 태양 전지가 지속적으로 햇빛에 노출되기 때문에 고온으로 인해 방사선 손상이 어느 정도 자가 치유된다는 것입니다. 그러나 외부에서는 목성은 그러한 자가 치유를 이용할 수 없습니다.