Hoe werken zonnecellen, batterijen en andere energiebronnen in de ruimte?

Zonnecellen spelen een cruciale rol in de energievoorziening van ruimtevaartuigen. Ze werken door het scheiden van ladingen, waarbij fotonen van zonlicht elektronen uit de atomen van het halfgeleidermateriaal losmaken. Deze elektronen kunnen vervolgens door een extern circuit bewegen, aangedreven door het elektrische potentieel dat ontstaat door de scheiding van de ladingen. De spanning, en dus de hoeveelheid energie die een zonnecel kan leveren, is voornamelijk afhankelijk van de gebruikte halfgeleidermaterialen. Dit effect is het fundament van een zonnecel als een laadseparator. Voor satellieten die de aarde omcirkelen, wordt een zonne-irradiantie van 1367 W/m² vaak als basisgegeven genomen om de benodigde oppervlakte van zonnepanelen in te schatten.

De hoeveelheid energie die een zonnecel kan genereren is rechtstreeks afhankelijk van de locatie ten opzichte van de zon. Bij een grotere afstand van de zon neemt de hoeveelheid beschikbare zonne-energie per vierkante meter aanzienlijk af. Als de afstand bijvoorbeeld verdubbelt, krijgt men slechts een kwart van de oorspronkelijke energie per vierkante meter. Dit heeft invloed op de grootte van de zonnepanelen, die in dat geval dus vergroot moeten worden om dezelfde elektrische output te bereiken.

In de ruimte, waar er geen atmosfeer is die zonlicht filtert, kunnen zonnecellen veel efficiënter werken dan op aarde. Moderne zonnecellen hebben een efficiëntie van meer dan 30%, en omdat de temperatuur in de ruimte doorgaans lager is, kunnen ze nog betere prestaties leveren. De temperatuur heeft namelijk een aanzienlijke invloed op de efficiëntie van de cellen: hoe lager de temperatuur, hoe groter de bandgap van het materiaal, wat resulteert in een hogere spanning doordat de elektronen meer energie krijgen van de fotonen.

Batterijen werken op een vergelijkbare manier als zonnecellen, maar hier wordt de energie geleverd door een chemische reactie, die de ladingen scheidt. Er bestaan primaire batterijen, die slechts eenmaal gebruikt kunnen worden, en secundaire batterijen, die herladen kunnen worden door de stroom om te keren. In ruimtevaartuigen worden batterijen vaak opgeladen met energie van zonnecellen, zodat ze de opgeslagen energie kunnen gebruiken wanneer er geen zonlicht beschikbaar is.

De efficiëntie van batterijen is sterk afhankelijk van het type technologie. Traditionele NiH2-batterijen zijn robuust en kunnen over een breed temperatuurbereik functioneren, maar hebben een lagere energiedichtheid en last van zelfontlading. Lithium-ionbatterijen daarentegen zijn lichter en hebben een hogere energiedichtheid, maar zijn gevoeliger voor hoge temperaturen en diepe ontladingen. De efficiëntie van lithium-ionbatterijen varieert tussen de 80 en 90%, terwijl NiH2-batterijen rond de 85% blijven.

Daarnaast bestaan er brandstofcellen, die verschillen van gewone batterijen doordat de reagerende stoffen niet in de structuur van de batterij zijn opgenomen, maar van buitenaf worden toegevoegd. Deze brandstofcellen gebruiken meestal waterstof als brandstof en zuurstof als oxidator. Het grootste voordeel van brandstofcellen is dat ze niet lijden aan degradatie zoals batterijen, maar ze vereisen wel extra tanks voor de brandstof. De efficiëntie van een brandstofcel kan oplopen tot 60%.

Voor ruimtevaartuigen die zich verder van de zon bevinden, bijvoorbeeld voor missies naar de buitenste planeten, is zonne-energie vaak niet genoeg. In dergelijke gevallen wordt een radio-isotopen thermoelectrische generator (RTG) gebruikt. Deze generator maakt gebruik van de radioactieve verval van isotopen, zoals Plutonium-238, die warmte genereren die omgezet wordt in elektriciteit door het Seebeck-effect. Het grote voordeel van RTG’s is hun vermogen om gedurende tientallen jaren energie te leveren, zonder bewegende onderdelen en met minimale onderhoudseisen. Het nadeel is echter de beperkte beschikbaarheid van geschikte isotopen en de risico’s die gepaard gaan met het gebruik van radioactief materiaal.

De energiebehoefte van ruimtevaartuigen is dus afhankelijk van de gekozen technologie, de afstand tot de zon, en de capaciteit van de gebruikte cellen en batterijen. Naast zonnecellen, die ideaal zijn voor kortere afstanden, worden geavanceerdere systemen zoals RTG’s noodzakelijk voor langdurige missies in de diepere ruimte. Het juiste ontwerp van een energiesysteem is essentieel voor de efficiëntie en duurzaamheid van ruimteverkenning.

Waarom zijn kernenergie en zonne-energie fundamenteel verschillend in interplanetaire ruimtevaart?

Zonne-energie daarentegen lijkt op het eerste gezicht een voor de hand liggende keuze, zeker dichter bij de zon. Toch blijkt de technologie hier juist voor aanzienlijke beperkingen en uitdagingen te zorgen. Omdat zonnepanelen direct aan zonlicht moeten worden blootgesteld, zijn ze onderhevig aan extreme thermische en stralingsbelasting, zeker binnen de baan van Mercurius. Dit vereist geavanceerde materiaalkeuzes en innovatieve operationele strategieën om de panelen te beschermen. Een voorbeeld is de Europese missie BepiColombo, die grote zonnepanelen gebruikt om haar vier elektrische stuwraketten van energie te voorzien. Deze panelen kunnen niet optimaal op de zon gericht worden omdat de intense straling en hitte ze anders onmiddellijk zou beschadigen. Daarom worden ze bijna parallel aan de zon gericht, waardoor de instraling sterk wordt verminderd, maar tegelijkertijd de efficiëntie significant afneemt.

De noodzaak om de zonnepanelen continu nauwkeurig te oriënteren, met ingebouwde redundantie in de controllers, is een cruciaal systeemvereiste. Zelfs een korte foutieve uitlijning kan fatale schade aan het paneel veroorzaken, wat verstrekkende gevolgen heeft voor de autonomie en het operationele concept van het ruimtevaartuig. Ook op aarde moeten de aansturingssystemen en procedures voor deze oriëntatie met dubbele controle worden uitgevoerd om fouten uit te sluiten.

De overdrachtssnelheid wordt door de beperkte energie beïnvloed en ligt doorgaans tussen enkele bits per seconde tot enkele honderden kilobits per seconde, waarbij hogere frequentiebanden zoals Ka-band wel hogere snelheden bieden, maar ook extra operationele complicaties veroorzaken, zoals gevoeligheid voor weersomstandigheden.

De aardse communicatie-infrastructuur bestaat uit grote, gespecialiseerde schotels verspreid over de wereld, die dankzij hun omvang en positionering continuïteit van het contact waarborgen. Dit netwerk is een onmisbare schakel in het gehele communicatiesysteem.

De unieke operationele context van interplanetaire missies wordt verder bepaald door de lange vertraging in signaaloverdracht, oplopend tot uren bij de verre planeten. Dit verhindert realtime besturing en vereist autonome en betrouwbare systemen aan boord die in staat zijn zelfstandig te functioneren gedurende lange perioden zonder contact met de aarde. De lange reis door de interplanetaire ruimte kenmerkt zich door rustige fasen van minimale activiteit, afgewisseld met intensieve periodes rondom bijvoorbeeld zwaartekrachtsslingers of flybys.

Vanwege de traagheid van het zichtbare pad vanuit de aarde is een ruimtevaartuig vaak gedurende lange tijd zichtbaar voor een enkele grondstationpassage, waarbij de aarde draait onder het zicht van het vaartuig. Dit heeft invloed op de planning en frequentie van communicatiecontacten, die tijdens rustige fasen tot een keer per week kunnen worden teruggebracht. De sonde moet dus ook kunnen overleven en functioneren tijdens deze lange periodes zonder directe aardingreep.

Het concept van redundantie is hierbij leidend, zowel in hardware als software, en dit vormt een fundamenteel kenmerk van interplanetaire missies. Tegelijkertijd moet men begrijpen dat iedere compromis in efficiëntie of complexiteit voortkomt uit de extreme omgevingscondities en de onomkeerbare gevolgen van fouten. Dit vraagt om een fundamenteel andere benadering van systeemontwerp en missieplanning dan gebruikelijk bij aardse of lage baan satellieten.

Hoe worden vluchtprocedures ontwikkeld en beheerd voor ruimtemissies?

Het systeem voor Telemetrie (TM) en Telecommando (TC) speelt een cruciale rol in de werking van ruimtevaartuigen. Het biedt de gegevens en besturingscommando's die nodig zijn voor het veilige en efficiënte beheer van de missie. De manier waarop telemetrie wordt verstrekt, weergegeven en hoe telecommando's naar het ruimtevaartuig kunnen worden verzonden, heeft invloed op de ontwikkeling van de vluchtoperatieprocedures (FOPs). Daarnaast is de ervaring die verzameld wordt door operationele ingenieurs tijdens voorgaande missies van onschatbare waarde. De nauwkeurigheid van vluchtprocedures is essentieel voor de veiligheid van de missie. Daarom moeten alleen gevalideerde procedures gebruikt worden, die consistent onder versiecontrole moeten staan, om veilige en betrouwbare operaties te garanderen en compatibiliteit met de TM/TC-databases zowel op aarde als aan boord van het ruimtevaartuig te waarborgen.

De complexiteit van de missie en het ruimtevaartuig bepaalt het aantal vluchtprocedures dat moet worden ontwikkeld en onderhouden gedurende de levensduur van de missie. Afhankelijk van het doel van de procedure kunnen deze procedures in verschillende categorieën worden onderverdeeld: nominale procedures, contingency procedures en testprocedures. Hoewel het mogelijk is om deze procedures op basis van het doel te categoriseren, heeft deze indeling geen invloed op de efficiëntie of betrouwbaarheid van de operaties zelf.

De missie en de specifieke orbitale kenmerken van het ruimtevaartuig bepalen ook hoe de vluchtprocedures worden ontworpen. Bij lage aardbanen (LEO) is er meestal maar beperkte communicatie met de grond, wat betekent dat vluchtprocedures korter en eenvoudiger zijn. Voor geostationaire (GEO) missies daarentegen, waar de communicatie met de grond bijna constant is, kunnen de procedures veel langer en complexer zijn. Bij interplanetaire missies is er een vertraging in de communicatie, wat de interactie tussen het ruimtevaartuig en de grond bemoeilijkt. Dit betekent dat commando’s zonder onmiddellijke bevestiging worden verzonden en dat telemetrie pas later beschikbaar is.

Het ontwerp en de ontwikkeling van vluchtprocedures zijn een dynamisch proces dat begint in de voorbereidingsfase van de missie, maar doorloopt tijdens de gehele levensduur van de missie. Wijzigingen kunnen nodig zijn als gevolg van software-updates, configuratiewijzigingen of de opgedane ervaring tijdens de vluchtoperaties. De input voor een vluchtprocedure komt in de basis van de ruimtevaartfabrikant, die het meest vertrouwd is met de werking van het ruimtevaartuig. De procedure wordt vervolgens aangepast door de ingenieurs van het controlecentrum voor satellieten (SCC) zodat deze klaar is voor gebruik tijdens de missie.

Naast de basiselementen van de vluchtprocedures zijn er verschillende aanvullende factoren die moeten worden begrepen. De aard van de communicatie met het ruimtevaartuig heeft invloed op de complexiteit van de procedures. Bij LEO-missies zijn de procedures korter, maar bij GEO- en interplanetaire missies moeten de procedures rekening houden met langere wachttijden en complexere interacties. Daarnaast is het essentieel dat er voortdurend updates en validaties van de procedures plaatsvinden om te reageren op onvoorziene omstandigheden die zich tijdens de missie kunnen voordoen. De mogelijkheid om snel en efficiënt in te grijpen in het geval van afwijkingen of storingen is een belangrijke factor die de uiteindelijke missieprestatie beïnvloedt.