La fornitura di energia elettrica per i veicoli spaziali è forse il requisito fondamentale per attivare il carico utile del satellite. Un problema al sistema di alimentazione può comportare, infatti, la perdita di una missione spaziale. Molti dei primi sistemi satellitari hanno avuto guasti all'alimentazione. Le prime astronavi, come la Vanguard 1, richiedevano una potenza di solo 1 W, mentre gli attuali satelliti per comunicazioni, tipicamente, richiedono potenze molto maggiori. La domanda di potenza è aumentata ed è caratterizzata da una maggiore complessità e sofisticazione. Le tendenze in evoluzione suggeriscono che potrebbero essere necessari altri ordini di grandezza. Ma come si gestisce la potenza nello spazio? Vediamolo in questo articolo.
Introduzione
La previsione della domanda energetica deve essere trattata con molta cautela. All'inizio degli anni '80 c'era molta attenzione sui grandi sistemi, in particolare sugli elementi infrastrutturali associati alle stazioni spaziali, che tipicamente contengono elementi sia con equipaggio che senza equipaggio. I sistemi con equipaggio richiedono livelli di potenza elevati, dell'ordine di 3OO kW. I servizi di comunicazione commerciale e i sistemi di trasmissione stanno ancora assistendo a una tendenza in lenta evoluzione verso livelli di potenza più elevati, ma le prestazioni del sistema sono migliorate, e stanno quindi riducendo la richiesta di energia. Molta attenzione è rivolta anche ai sistemi satellitari più piccoli, in cui i costi e l'efficienza del sistema sono fattori determinanti. I sistemi Solar Power Satellite, grandi centrali orbitanti che dovrebbero generare GW di energia elettrica per uso terrestre, sono stati molto studiati, ma ancora non realizzati. Questioni politiche e tecniche hanno rallentato i loro sviluppi.
Tipi di alimentazione
È evidente che i generatori termoelettrici fotovoltaici o radioisotopi (RTG) sono appropriati per i requisiti di potenza tipici dei veicoli spaziali di attuale generazione, vale a dire pochi kilowatt per missioni di diversi anni. Per periodi più brevi, le celle a combustibile sono vantaggiose, mentre per periodi inferiori a pochi giorni i sistemi migliori sono le batterie. Non sorprende, quindi, scoprire che le batterie sono utilizzate nei veicoli di lancio per fornire la fonte primaria di energia, le celle a combustibile sono usate nello Shuttle, e sia i dispositivi fotovoltaici che l'RTG sono usati per il funzionamento generale dei veicoli spaziali, a seconda della missione. Va notato che le fonti di energia nucleare come RTG e sistemi dinamici nucleari sono utilizzate per applicazioni militari, ma non sono generalmente accettabili per veicoli civili in orbita terrestre. Durante gli anni '90, infatti, una crescente consapevolezza dell'opinione pubblica sulle questioni ambientali ha portato a proteste contro il lancio di fonti nucleari per scopi scientifici, come ad esempio il lancio della missione Cassini-Huygens.
Elementi del sistema di alimentazione
In generale, un sistema di alimentazione di un veicolo spaziale è costituito da tre elementi principali: fonti di energia primaria, secondaria e una rete di controllo e distribuzione dell'energia. Potete vedere un esempio dello schema per la distribuzione dell'energia in Figura 1.
Figura 1: Lo schema a blocchi rappresenta il sistema di potenza tipico di una missione spaziale (fonte: P.Fortescue, J.Stark e G.Swinerd, Spacecraft Systems Engineering)
La fonte di energia primaria converte un combustibile in energia elettrica. Nei primi voli spaziali e nei veicoli di lancio, le batterie hanno fornito la fonte di energia primaria. Questi sistemi non hanno un elemento combustibile, in quanto una batteria è un dispositivo che ha energia "immagazzinata". La maggior parte dei veicoli spaziali odierni utilizza un array solare come fonte di energia primaria. Il "carburante" in questo caso è l'energia solare radiante, che viene convertita tramite l'effetto fotovoltaico in energia elettrica. Nelle missioni con equipaggio di breve durata, le celle a combustibile sono state utilizzate più frequentemente come fonte primaria; per i voli di più lunga durata associati a stazioni spaziali, è stata adottata la combinazione di array solari e celle a combustibile. Questi dispositivi elettrochimici eseguono una reazione chimica controllata, in modo tale che l'energia trasformata sia soprattutto elettrica e non termica. I combustibili utilizzati per le operazioni spaziali sono l'idrogeno e l'ossigeno il cui prodotto di reazione è l'acqua, che poi può essere bevuta dagli astronauti. I sistemi nucleari utilizzano un processo di decadimento radioattivo o un processo di fissione nucleare come fonte di energia. Gli RTG fanno uso dell'effetto termoelettrico, mentre i reattori a fissione funzionano in modo simile alle centrali nucleari terrestri.
La fonte di energia secondaria è necessaria per immagazzinare energia e, successivamente, fornire energia elettrica al sistema satellitare e al suo carico quando l'energia del sistema primario non è disponibile. La situazione più comune si verifica quando si ha un periodo di eclissi ed il sistema primario è un array solare. La durata dell'eclissi dipende dall'orbita del veicolo spaziale. Tipicamente per l'orbita terrestre bassa (LEO), per ogni orbita si verifica un'eclisse di 35 minuti, per i satelliti a bassa inclinazione; nell'orbita terrestre geostazionaria (GEO), si verificano eclissi solo durante i periodi equinoziali, con una durata massima di circa un'ora e mezza. In Figura 2 potete vedere qualche esempio delle distanze dalla terra di satelliti e missioni spaziali.
Figura 2: Missioni spaziali a diverse orbite
Per tempi così brevi, le batterie dimostrano la massima efficienza. Tuttavia, per i sistemi che richiedono livelli di potenza elevata, per esempio di 100 kW, una combinazione di array solare e cella a combustibile rigenerativa è una soluzione migliore. Le celle a combustibile rigenerative funzionano con un ciclo di combustibile chiuso: il combustibile viene consumato per formare acqua nel ciclo di scarica e l'elettrolisi dell'acqua viene eseguita durante il ciclo di carica. Sebbene l'efficienza netta sia bassa, solo dal 50 al 60%, rispetto a quasi il 90% di una batteria, è possibile, mediante un dimensionamento giudizioso del carburante, ridurre le dimensioni del campo solare richiesto per l'innalzamento della potenza primaria. Per le operazioni LEO, in cui la resistenza aerodinamica è significativa, la riduzione dell'area dell'array riduce la massa di propellente richiesta per il controllo dell'orbita, portando a una massa inferiore del sistema al lancio rispetto alla configurazione convenzionale.
Infine, abbiamo la rete di controllo e distribuzione dell'alimentazione, necessaria per fornire livelli di corrente appropriati a tutti i carichi dei veicoli spaziali quando richiesto. La fonte di alimentazione primaria si degrada sempre durante la missione. Pertanto, al suo avvio verrà generato un eccesso di potenza, ed è necessario fornire un carico ausiliario per dissiparlo. Il modo più semplice per farlo è utilizzare una resistenza, generalmente esterna alla struttura del veicolo spaziale principale, per semplificare il progetto termico, necessario a causa della situazione di vuoto in cui ci si trova nello spazio. [...]
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