Entre las características que debe cumplir un sistema de alimentación para una nave espacial están las siguientes:
Cumplir con los requerimientos de consumo promedio y pico
Proveer de acondicionamiento de energía y conversión de voltajes
Supresión de picos y transitorios
Informar al segmento de tierra sobre su desempeño y tener la capacidad de ser controlado por éste
Proporcionar almacenamiento de energía durante los eclipses y las demandas pico
El sistema de alimentación eléctrica de una nave espacial consta de cuatro componentes básicos: la fuente de energía primaria, generalmente constituida por páneles solares, un sistema de almacenamiento de energía, constituido por baterías, un sistema de regulación y control de potencia, y un sistema de control de distribución de energía.
Fuentes de energía primaria
Los páneles solares son las fuentes de energía primaria más comunes en las naves espaciales, principalmente en los satélites que orbitan a la tierra. Esto se debe al flujo confiable de energía que emite el sol y que puede ser convertido en energía eléctrica por celdas fotovoltaicas. Este flujo de potencia, llamado densidad de potencia de la radiación solar, es de aproximadamente 1,400 W/m2 cerca de la tierra y disminuye con el cuadrado de la distancia al sol.
Las celdas fotovoltaicas más utilizadas en aplicaciones espaciales son las basadas en arseniuro de galio (GaAs) debido a su gran eficiencia. Las celdas solares más eficientes actualmente en producción son celdas multiunión. Estas celdas utilizan una combinación de varias capas de arseniuro de galio y de silicio para capturar una mayor parte del espectro de la radiación solar que incide en ellas. Estas celdas son capaces de alcanzar una eficiencia de casi el 29% en condiciones ideales. Esto significa que un pánel de 1 m2 de este tipo de celdas puede generar unos 400 Watts de potencia (1400x0.29) aproximadamente, si las celdas están cerca de la tierra y están orientadas perpendicularmente a la radiación solar.
Aunque los páneles solares son muy utilizados, en algunos casos, como en misiones a planetas exteriores, puede ser más conveniente utilizar otras fuentes de energía, y en ese caso existen otras posibilidades. Algunas de ellas son:
Los Generadores Termoeléctricos de Radioisótopos o RTG, por sus siglas en inglés, que convierten en electricidad el calor generado por material radiactivos a medida que decae en material no radiactivo. El calor genera un gradiente de temperatura en una junta semiconductora p-n que proporciona la energía eléctrica. Estas fuentes de energía tienen la ventaja de no necesitar de la radiación solar para generar energía eléctrica, pero tienen la desventaja de ser complejos y masivos, así como de requerir que se remueva el calor remanente, lo que aumenta su riesgo y costo. El Curiosity utiliza un generador de este tipo.
Las celdas de combustible, son dispositivos parecidos a las baterías que generan energía eléctrica a partir de combinar oxígeno con un combustible. Las celdas más usadas son las de hidrógeno, en cuyo caso, el resultado de la combinación genera agua. La desventaja de las celdas de combustible consiste en que su capacidad está limitada a la cantidad de oxígeno y combustible que pueda llevar la nave espacial.
Sistema de alimentación típico
En un sistema de alimentación eléctrica satelital típico, el panel solar convierte la energía luminosa del sol en energía eléctrica y recarga la batería. La batería suministra energía eléctrica durante los períodos en que el sol es eclipsado por la tierra y es la fuente secundaria de energía. La electrónica de control de potencia mantiene el voltaje suministrado en el nivel deseado. El control de distribución lleva la energía a los subsistemas que la necesiten y los enciende y apaga, según sea necesario. El sistema puede ser controlado a través de mandos desde una estación terrestre.
Cabe hacer notar, que aparte de los sistemas anteriores, un sistema que use páneles solares puede contener un mecanismo de apuntamiento de los páneles con objeto de asegurar de que éstos estén siempre orientados hacia el sol.
La batería debe proporcionar potencia durante cada eclipse a lo largo de toda la vida útil de la nave espacial, por lo que debe recargarse lo suficiente durante los ciclos en los que está expuesta a la radiación solar. Esto hace que las características de las baterías, como su capacidad de almacenamiento de carga y rapidez de recarga deban de seleccionarse cuidadosamente de acuerdo a la órbita de la nave espacial, a fin de eliminar el riesgo de que falte energía durante los eclipses.
Órbita geoestacionaria
En la órbita geoestacionaria, a una altitud de 35,786 kilómetros, el tamaño aparente de la tierra es de 17.4 °. Por lo tanto, el sol es eclipsado por la tierra durante una parte de la órbita cuando el sol está dentro de 8.7 ° del plano ecuatorial. En esa parte de la órbita la sombra de la tierra oculta al sol y no deja cargar las baterías de satélites.
En la órbita geoestacionaria hay dos temporadas de eclipses centradas alrededor de los equinoccios (alrededor del 21 de marzo y del 22 de septiembre). Cada temporada de eclipses dura 45 días, que es lo que el sol tarda en pasar de 8.7 ° por debajo del plano ecuatorial de 8.7 ° por encima del plano ecuatorial respecto a la tierra. Así, en la órbita geoestacionaria, hay 90 eclipses por año, lo que requiere 90 ciclos de carga / descarga de la batería. La longitud máxima de un eclipse es de 72 minutos (1.2 horas) y se produce en los equinoccios, cuando el sol cruza el ecuador.
Así, en el peor de los casos, la batería de un satélite geoestacionario debe ser capaz de proporcionar energía durante 72 minutos sin estar siendo recargada. Por otro lado, la batería cuenta cerca de 23 horas en cada revolución alrededor de la tierra para recargarse, y por lo general la batería se recarga aproximadamente en la mitad de ese tiempo. Entre las estaciones de eclipses, la batería se carga muy lentamente.
Órbitas bajas
En una órbita baja, a una altitud típica de 300 Km, el período orbital es de aproximadamente 90 minutos. En estas condiciones, la duración máxima de un eclipse es de aproximadamente 35 minutos, que es alrededor de un tercio del periodo orbital. Esta máxima duración se produce cuando el plano de la órbita es paralelo a la dirección tierra-sol. En esas condiciones, se tienen únicamente 55 minutos para recargar la batería antes de que ocurra el próximo eclipse. Para esta órbita, hay nada menos que 16 eclipses por día. Dependiendo de la altura de la órbita y la inclinación, puede haber 5,000 o más eclipses por año. Esto obliga a que las baterías de los satélites de órbita baja sean capaces de poder cargarse rápidamente y además, puedan soportar múltiples ciclos de carga y descarga sin perder sus propiedades.
Características de las baterías
Las baterías son o bien del tipo primario o secundario y se clasifican de acuerdo a su electroquímica. Una batería primaria está diseñado para su uso en lugar de un sistema fotovoltaico y una vez que se descarga, ya no puede recargarse. Las baterías primarias se utilizan en misiones de vida cortas o para aplicaciones que requieren muy poca energía. Las baterías secundarias son recargables y proveen de energía durante los períodos de eclipse cuando la fuente primaria de energía, el panel solar, no está disponible. La batería primaria más utilizada en las naves espaciales es la batería de plata-zinc. También hay una variedad de baterías de pilas de litio, incluyendo el dióxido de azufre de litio, monofluoruro de carbono de litio, y cloruro de tionilo de litio. Aunque el litio tiene una mayor densidad de energía, las baterías de plata zinc son más fáciles de manejar y pueden ser descargadas a un ritmo mucho más alto.
Los principales tipos de baterías secundarias para usos espaciales son las de Níquel-Cadmio (NiCd) y las de Níquel-Hidrógeno (NiH2), aunque hay muchos otros tipos más. Cada tipo de batería tiene ciertas aplicaciones en función de sus parámetros de rendimiento, tales como su densidad de energía, su ciclo de vida, y confiabilidad. La unidad electroquímica fundamental es la celda voltaica, la cual proporciona un voltaje específico determinado por su composición química. Una batería consta de varias celdas conectadas en serie, de manera que se puede obtener el voltaje deseado conectando el número apropiado de celdas. En la tabla siguiente se presentan las características más importantes de algunos tipos de baterías más utilizados en aplicaciones espaciales.
Las baterías de una nave espacial son uno de los sistemas más importantes para asegurar el cumplimiento de la misión y también uno de los más masivos. En algunas aplicaciones el peso de las baterías constituye el 15% de la nave espacial, por lo que es importante su selección adecuada y un diseño no demasiado sobrado para no aumentar demasiado el costo de la misión.
Voltaje de operación
La selección del voltaje de operación de los componentes de una nave espacial se basa a menudo en utilizar equipo probado que ha volado en programas anteriores. En la década de 1960, las tensiones de bus de 20 a 30 V eran comunes. Para la década de 1970 y principios de 1980, los voltajes del bus habían alcanzado 40 a 50 V. En general son deseables altos voltajes con el fin de reducir la corriente necesaria para una potencia dada, y por lo tanto reducir las pérdidas resistivas y la masa de los componentes de distribución de energía eléctrica. El límite superior de la tensión del bus lo determinan los semiconductores de conmutación de potencia.
En general, en un sistema de alimentación eléctrica de una nave espacial, el obtener altas potencias no es el problema, sino más bien la disipación del calor que se produce como residuo. Este problema se aborda mediante el diseño de los componentes más eficaces y sistemas de disipación de calor. Por lo anterior y para fines de ahorro de energía, los sistemas de una nave espacial generalmente se apagan cuando no están en uso.
El sistema de alimentación eléctrica es crítico para el funcionamiento de la nave espacial, ya que de él depende el correcto desempeño de todos los demás sistemas. Una falla en la alimentación de energía de la nave es catastrófica, por lo que este sistema debe diseñarse para que sea sumamente confiable. Esta confiabilidad se puede lograr a través de redundancias en las baterías, los sistemas de distribución eléctrica y el monitoreo constante de voltajes, corrientes y temperaturas para realizar los ajustes necesarios para su correcta operación.
