Hoe ruimtevaartsystemen omgaan met batterijdegradatie en laadprocessen in de praktijk

In de ruimtevaart zijn batterijen essentieel voor het succes van missies, aangezien ze energie leveren voor operationele systemen wanneer de zonnepanelen geen stroom kunnen genereren, zoals tijdens een eclipse of wanneer de zonnepanelen niet optimaal in de richting van de zon staan. Het beheren van de batterijcapaciteit is echter een complexe taak die verschillende uitdagingen met zich meebrengt, vooral wanneer er vertragingen optreden voor de lancering of gedurende lange periodes van gebruik. De degradatie van batterijen in de ruimte is een van de meest kritische factoren die de levensduur en prestaties van een ruimtevaartuig beïnvloeden.

Vertragingen van de lancering kunnen schadelijk zijn voor de ruimtevaartuigbatterij. Hoewel batterijen voor de lancering regelmatig worden opgeladen om zelfontlading te compenseren en schade door diepe ontlading te voorkomen, zal de batterijcapaciteit na langere vertragingen alsnog afnemen. Lithium-ionbatterijen, bijvoorbeeld, hebben de neiging langzaam te degraderen, maar een vertraging van enkele maanden of langer kan resulteren in een lagere batterijcapaciteit dan gewenst. Dit vergt vaak aanvullende maatregelen, zoals het 'herconditioneren' van de batterij na de lancering om de gezondheid van de batterij te verbeteren en de capaciteit te herstellen. Herconditioneren houdt in dat de laad- en ontlaadparameters worden aangepast om overbelasting te voorkomen en ervoor te zorgen dat de batterij optimaal functioneert. De mogelijkheid om deze parameters aan te passen hangt af van het type batterij en het ontwerp van het ruimtevaartuig. Het zorgvuldig beheren van het opladen en het voorkomen van oververhitting zijn cruciaal om verdere degradatie te vermijden.

De levensduur van een batterij is sterk afhankelijk van de diepte van ontlading (DoD). Een grotere ontlading leidt tot snellere degradatie van de batterij, waardoor het aantal cycli dat de batterij kan doorstaan, aanzienlijk wordt verminderd. In veel missies wordt daarom getracht de ontlading van de batterij tot een minimum te beperken om het maximale aantal werkbare cycli te behalen. Dit heeft een directe invloed op de missiestrategie, aangezien het vermijden van onnodige ontladingen en het beperken van de diepte van ontlading essentieel is om een langdurige werking van het ruimtevaartuig te garanderen.

Het beheer van de batterijcapaciteit en het opladen van de batterij kunnen ook met behulp van technische oplossingen zoals het 'shunten' van de zonnepaneelstrings. Dit betekent dat sommige zonnecellen gedeeltelijk gedeactiveerd worden, wat leidt tot een vermindering van de stroom. Hierdoor kan het laadproces optimaal worden gecontroleerd zonder dat de batterij overbelast wordt. Het is van cruciaal belang om de laadstrategieën zo te optimaliseren dat de batterij gezond blijft en de operationele systemen van het ruimtevaartuig gedurende de hele missie van voldoende energie worden voorzien.

Hoewel ruimtevaartuigen in de meeste gevallen in staat zijn om voldoende energie te genereren via hun zonnepanelen, kunnen de operationele en seizoensgebonden variaties in de zonne-instraling het vermogen beïnvloeden. Dit komt bijvoorbeeld naar voren in de temperatuurvariaties van de zonnepanelen, die tijdens schaduwen door de aarde of door rotaties van het ruimtevaartuig sterke dalingen kunnen vertonen. Deze schijnbare afwijkingen in temperatuur zijn vaak te wijten aan normale operationele effecten en geen indicatie van problemen of degradatie van de zonnepanelen zelf.

Voor een ruimtevaartuigontwerper of een ingenieur in de operationele fase is het van groot belang om niet alleen de batterijprestaties te monitoren, maar ook de langetermijntrends in de prestaties van de zonnepanelen en andere subsystemen te analyseren. Seizoensgebonden effecten en de effecten van missiespecifieke operaties moeten goed begrepen worden om te voorkomen dat deze leiden tot onterechte zorgen over de gezondheid van het systeem. Het juiste beheer van de batterij en de zonnepanelen is cruciaal voor het succes van de missie en de levensduur van het ruimtevaartuig.

Welke operationele uitdagingen en oplossingen kent On-Orbit Servicing (OOS)?

On-Orbit Servicing (OOS) betreft missies waarbij een dienstverlenende satelliet, de servicer of chaser, ondersteuning verleent aan een andere satelliet of ruimteobject, de target of client, terwijl beide zich in een baan om de aarde bevinden. Deze dienstverlening valt grofweg in drie categorieën: observatie, beweging en manipulatie. Observatie heeft traditioneel vooral militaire toepassingen, zoals bij de MITEX-missies in 2009, waarbij defecte satellieten in geostationaire baan werden geïnspecteerd. Beweging betreft activiteiten zoals station-keeping, relocatie en verwijdering van satellieten; dit is essentieel voor het beheer van constellaties en de verlenging van hun operationele levensduur, zoals getoond door de demonstratiemissies OLEV en MEV-1. Manipulatie omvat onderhoud, reparaties en bijtanken, zoals gedemonstreerd door Orbital Express in 2007 en de bemande onderhoudsmissies aan de Hubble Space Telescope.

Een belangrijk aspect van OOS is de mitigatie van ruimtepuin, een toenemend probleem door de groei van mega-constellaties en het toenemende aantal satellieten. Ruimtepuin verhoogt het risico op botsingen, wat de levensduur van operationele satellieten kan verkorten en missies kan verstoren. Het verwijderen van niet-operationele satellieten uit kritieke banen is daarom een essentiële taak van OOS-missies. Dit vraagt om actieve verwijderingsstrategieën waarbij zowel kleinere als grote objecten gecontroleerd uit de baan worden gehaald. De Kessler-syndroom theorie waarschuwt voor een exponentiële toename van ruimtepuin door kettingbotsingen, waardoor actieve interventies urgent en onontkoombaar zijn. Het aantal objecten dat jaarlijks moet worden verwijderd, wordt geschat op ongeveer tien om de ruimteresources duurzaam te behouden.

De economische en technische haalbaarheid van OOS wordt mede bepaald door de complexiteit van de servicer en het kostenplaatje. Toch kan OOS economisch aantrekkelijk worden indien een enkele servicer meerdere clients kan bedienen binnen een constellatie, waardoor de kostprijs per geredde satelliet aanzienlijk daalt. Dit maakt OOS tot een potentiële standaardpraktijk in de toekomst, vooral voor dure geostationaire communicatie- en observatiesatellieten.