jueves, 2 de enero de 2014

Paneles y sensores solares para los satélites argentinos

Por Javier García, ArgentinaEnElEspacio

En el Centro Atómico Constituyentes se encuentra el Grupo de Energía Solar (GES) que desarrolla los paneles solares para las misiones satelitales argentinas. Sigue a continuación un breve resumen de las actividades que realiza este grupo científico, que son fundamentales para el desarrollo de la industria espacial argentina.

Montaje de paneles solares para uso espacial. Foto: CNEA.

Intruducción

Las celdas solares fotovoltaicas se utilizan para proveer de energía a los satélites. A pesar de ser muy parecidas a las de uso terrestre, estas están preparadas para soportar las inclemencias del ambiente espacial como ser la radiación ultravioleta, el bombardeo de protones y electrones, y otros diversos tipos de partículas, al tiempo que deben ser lo más livianas posibles.

Un poco de historia

Desde el año 1974 el grupo de energía solar de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) trabaja en diferentes desarrollos y formación de recursos humanos referidos a la energía solar. 

En lo tocante a la construcción de un satélite, cada misión requiere paneles solares diseñados específicamente para satisfacer sus requerimiento de energía eléctrica, y al ser ésta una tecnología cuyo precio en el mercado internacional es muy elevado, es que a mediados de los años 90 el GES decidió encarar la fabricación de dos pequeños paneles solares y los sensores de posición del satélite SAC-A, puesto luego en órbita por el transbordador Espacial Endeavour en 1998.

En el año 2001 la CNEA y la CONAE suscribieron un convenio de cooperación con el objetivo de disponer de paneles solares propios para las futuras misiones espaciales del Plan Espacial Nacional.

Posteriormente con el correr del tiempo se firmó un nuevo acuerdo para la misión satelital SAC-D/Aquarius, proyecto conjunto entre la CONAE y la NASA de Estados Unidos, cuya finalidad principal fue la obtención de información climática a través de una plataforma satelital capaz de medir el nivel de salinidad de los océanos en tiempo real, algo nunca intentado con anterioridad. En este marco, un hecho destacable se produjo entre los años 2008-2009 cuando se integraron por primera vez en el país los paneles solares para la misión espacial SAC-D.

Paneles solares del SAC-D en el laboratorio de integración. Foto: CNEA.

Actualmente el GES se encuentra trabajando en los paneles solares de los satélites SAOCOM de la CONAE. 

Elaboración de celdas solares y dispositivos de silicio


En el GES se ponen a punto los procesos de fabricación de celdas solares, sensores de radiación solar y otros dispositivos basados en silicio cristalino para distintas aplicaciones, utilizándose un proceso de un paso a alta temperatura modificado para obtener óxidos pasivantes más delgados en la superficie frontal.

Horno de difusión y procesos térmicos usado para la
fabricación de celdas solares. Foto: CNEA.

Las actividades de investigación y desarrollo (I+D) incluyen la caracterización y optimización de dispositivos de silicio para usos espaciales, y la optimización numérica y experimental de capas anti-rreflectantes en celdas solares.

Los dispositivos son caracterizados eléctrica y electrónicamente y además, se realizan distintos ensayos como ser daño por radiación y ciclado térmico.

Simulación numérica de celdas solares

Las celdas solares basadas en materiales III-V se utilizan casi con exclusividad para la generación de potencia eléctrica en satélites. Esto llevó al CES al estudio numérico de homojunturas y multijunturas, permitiendo obtener de esta manera la curva J-V y la eficiencia cuántica externa.

Fabricación y estudio de celdas solares con compuestos orgánicos

El GES también estudia la fabricación y caracterización de dispositivos fotovoltaicos de tercera generación basados en la combinación de compuestos orgánicos e inorgánicos. En principio se desarrollan los materiales fotoactivos que componen las celdas. Estos se caracterizan y se estudian sus propiedades estructurales, ópticas y electrónicas. 

Estudio del daño por radiación en dispositivos


Alrededor de la tierra existen zonas pobladas de electrones y protones de muy diversas energías atrapados por el campo magnético terrestre en el denominado cinturón de Van Allen. Por otra parte, durante las erupciones solares arriban a la tierra protones de alta energía. Dichas partículas tienen la capacidad de dañar y destruir un satélite si no se toman las precauciones necesarias.

El daño en los dispositivos semiconductores puede darse debido a la acumulación de defectos en el material, o cuando partículas de alta energía liberan una gran carga eléctrica sobre el dispositivo, causando una alteración en el funcionamiento del mismo, o su destrucción total. Los dispositivos digitales, debido su reducido tamaño y complejidad son particularmente sensibles a este fenómeno.

El CES estudia la degradación de dichos dispositivos en ambientes de gran radiación como es el espacio exterior, y asesora y califica los mismos para uso espacial. Para estos estudios experimentales se diseñó y construyó una cámara de irradiación en el acelerador Tandar, la cual permite irradiar con protones e iones pesados los dispositivos en cuestión.

Dispositivo de irradiación EDRA. Foto: CNEA.

Existe también dentro del GES una línea teórica que estudia los procesos de deposición de energía sobre el material para caracterizar y modelar daños, realizándose también estimaciones de dosis y efectos de las mismas.

Otra línea de estudio se avoca a determinar la confiabilidad y degradación de dispositivos MOS así como de las memorias avanzadas para uso espacial.

Desarrollo de Sensores Solares Gruesos


Los sensores solares gruesos (SSG) son utilizados por los sistemas de control de posición angular de los satélites para determinar la posición de éste respecto al sol. Los SSG son componentes fundamentales del sistema de orientación de un satélite y están hechos de silicio.

Fabricación y ensayo de modelos

En esta etapa se fabrican modelos para luego calificar los componentes y los procesos de integración. Se somete luego los modelos a ensayos eléctricos, ciclado térmico en vacío y ensayos de vibraciones. Se evalúan deformaciones elásticas sobre los paneles y se los somete también a ensayos de vibraciones acústicas.

Integración de paneles solares en el satélite 
SAC-D/Aquarius. Foto: CNEA.

Por último se realiza una inspección visual completa y verificación eléctrica, tras lo cual, de no encontrarse diferencias significativas con el estado preliminar a los ensayos, se califica el panel solar como apto para ser utilizado en la misión satelital.

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