Sonda Juno při svém příletu k Jupiteru (zdroj NASA).

Sonda Juno (JUpiter Near-polar Orbiter) se na cestu vypravila 5. srpna 2011 a začne zkoumat okolí Jupitera v červenci 2016. Prozatím všechny sondy v těchto vzdálených oblastech Sluneční soustavy využívaly radioizotopové zdroje elektřiny. Podrobněji o těchto i dalších jaderných zdrojích energie pro vesmír pojednávají články zde a zde. Sluneční panely se nevyužívaly, protože intenzita slunečního záření klesá s mocninou vzdálenosti od Slunce a tedy poměrně velice rychle. Záření ze Slunce představuje u Země výkon 1368 W/m². Jupiterova vzdálenost od Slunce je přibližně 5,2 krát větší. Hodnota výkonu u Jupitera je tedy přibližně 50 W/m².

Pokrok ve vývoji lehkých slunečních panelů s vysokou účinností umožnil využít fotovoltaiku i pro sondu k Jupiteru. Je to důležité i z toho důvodu, že v současné době jsme ztratili možnost radioizotopové zdroje používané pro tyto účely vyrobit (podrobněji zde a zde). V případě využití Slunce jsou pro potřebný výkon nutné tři panely slunečních baterií s celkovou plochou přes 60 m². U Země dodávaly 14 000 W a u Jupitera to bude 420 W, což je zhruba o 100 W méně, než dodávaly dva radioizotopové zdroje sondy Galileo. Je však třeba zmínit, že část poklesu je v tomto případě způsobena radiačním poškozením panelů. Kdyby k němu nedocházelo, byl by výkon slunečních panelů u Jupitera přes 480 W.

Lze očekávat, že o sondě Juno a jejich výsledcích výzkumu Jupitera se bude v následujícím období psát často i na Oslovi. Využijme tak příležitosti jejího příletu k Jupiteru k připomenutí funkce, historie využití a budoucího potenciálu nejen pro kosmický výzkum.

Závislost energie slunečního záření dopadajícího na jeden m2 za sekundu na vzdálenosti sondy od Slunce (1 astronomická jednotka AU je dána vzdáleností Země od Slunce – okolo 150 milionů km). Velikost této energie klesá s kvadrátem vzdálenosti.

Princip fungování fotovoltaických článků

Sluneční panely se jako zdroj elektřiny na vesmírných družicích a sondách využívají dominantně. Jsou složeny z fotovoltaických článků. U nich se využívá světlo k produkci volných elektronů jako nosičů náboje. Při fotoelektrickém jevu foton předá veškerou svou energii elektronu a dochází k jeho emisi z atomového obalu nebo z vodivostního pásu kovu. Dochází tak k produkci elektronů, případně párů elektronu a iontu. První pozorování vnějšího fotoelektrického jevu, při kterém se elektrony emitují mimo ozařovaný materiál, se povedl Alexandru Edmondu Becquerelovi. Ten v roce 1839 prezentoval změnu proudu mezi kovovými elektrodami ponořenými v roztoku v závislosti na intenzitě osvětlení. V roce 1887 pak Heinrich Rudolf Hertz pozoroval, že elektrický výboj v plynu vznikne snadněji mezi elektrodami při ozáření plynu ultrafialovým zářením. Vysvětlení tohoto jevu, které ukázalo, že i pohlcování elektromagnetického záření probíhá v kvantech, se podařilo Albertu Ensteinovi. Ten za ně dostal Nobelovu cenu.

Jeden z prvních fotovoltaických panelů firmy Bell na počátku padesátých let.

Pro konstrukci fotovoltaického článku se využívají polovodiče a fotovoltaický jev, který je jednou z forem vnitřního fotoelektrického jevu. Foton s malou energií a tím i vlnovou délkou odpovídající viditelnému světlu se využije k tomu, aby se elektron přesunul z valenčního do vodivostního pásu. Dochází tak k produkci díry a elektronu, tedy volných nosičů náboje. Ty se pohybují k příslušným elektrodám. Pomoci polovodičové P-N diody pak můžeme vytvořit fotovoltaický článek. Fotony světla generují zmíněné volné nosiče náboje a vzniká elektrický proud. Zmiňme ještě, že fotovoltaický jev poprvé pozorovali William Grylls Adams a jeho žák Richard Evans Day v roce 1876 na P-N přechodu vytvořeném mezi selenem a platinou.

Základním polovodičem využívaným pro konstrukci fotovoltaických článků se stal křemík. Polovodičová dioda je vytvořena s využitím tenké křemíkové destičky s vodivostí typu P (kladná, děrová vodivost). Na ní se vytvoří tenká vrstva s vodivostí typu N (záporná, elektronová vodivost). Obě vrstvy jsou pak odděleny P-N přechodem. Dalším možným polovodičovým materiálem je arsenid gallitý GaAs. V obou případech se podařilo v polovině padesátých let dosáhnout účinnosti konverze světelné energie na elektrickou okolo 5 %. Sluneční články jsou namontovány na strukturu, která se označuje jako fotovoltaický modul a z modulů je pak sestaven panel.

Vangaurd 1 byl první družicí s fotovoltaickými články, v té době jako test (zdroj NASA).

Historie využívání solárních panelů

První prakticky použitelné fotovoltaické články založené na křemíku byly vyvinuty v Bellových laboratořích v roce 1954 a veřejnosti byly poprvé prezentovány 25. dubna 1954. S dalším klíčovým pokrokem je spojen Leslie Hoffman. Pod jeho vedením se podařilo mezi léty 1957 až 1960 zvýšit účinnost fotovoltaického článku z 5 až na 14 %. To umožnilo články Leslie Hoffmana použit i ve vesmíru. Poprvé tomu bylo velice brzo, a to v roce 1958 u družice Vangaurd. V tomto případě byl fotovoltaický článek alternativní variantou k hlavní chemické baterii. Už v roce 1959 se u družice Explorer 6 objevily klasické postranní velké panely, které se staly typickými atributy družic a kosmických sond. Celkově se na ně využilo 9600 článků Leslieho Hoffmana. Družice Telstar v roce 1962 zahájila éru využívání solárních panelů u telekomunikačních družic, jejich výkon byl 14 W. Už po objevu van Allenových radiačních pásů okolo Země družicí Explorer 1 se ukázala důležitost radiační odolnosti solárních panelů a vlivu radiační degradace na jejich životnost.

U vesmírných sond se sluneční baterie staly velmi rychle hlavním zdrojem elektřiny. Důvodem bylo, že u vesmírných projektů nebyla cena klíčová. Nejdůležitější byla co nejnižší hmotnost zařízení a možnost využití slunečního světla, které je ve Sluneční soustavě většinou k dispozici.

V šedesátých letech byla snaha vyzkoušet i další materiály. Z hlediska nízké hmotnosti se uvažovaly velmi tenké články s více přechody ze sulfidu kademnatého CdS na disulfidu měďnatém CuS₂. Tato zařízení však rychle degradovala. Účinnosti okolo 7 % se podařilo dosáhnout i u článku z telluridu kademnatého CdTe. Ovšem nejlepších parametrů, hlavně účinnosti a odolnosti, se dosáhlo u zmíněných křemíkových článků. A ty se ve vesmíru začaly dominantně využívat.

Explorer 6 byl první sondou s typickými panely solárních baterií (zdroj NASA).

V sedmdesátých letech se intenzivně vylepšovaly vlastnosti křemíkových článků pro efektivnější odezvu v modré oblasti spektra a zvýšení výstupního proudu. Dále se podařilo zjednodušit, zautomatizovat a tím i zlevnit jejich výrobu. V osmdesátých letech se alespoň v laboratořích začaly účinnosti článků blížit teoretickým limitům, které ještě podrobněji rozebereme.

Nejdůležitějším parametrem pro kosmické solární panely je kvůli vysoké ceně za dopravu na oběžnou dráhu výkon na kg hmotnosti. Ten roste s velikostí panelu, i když se postupně růst zpomaluje. V grafu je současná situace pro křemíkové a galium arsenidové články. BOL je situace na začátku životnost a EOL pak na jeho konci. (Zdroj Sheila Bailey and Ryne Raffaelle: kapitola Space Solar Cells and Arrays v knize vydané nakladatelstvím John Wiley & Sons)

V devadesátých letech se u kosmických slunečních článků přešlo částečně od křemíkových ke galium arsenidovým. Křemíkové sluneční články jsou levnější a dlouhodobě prověřené, články založené na GaAs mají vyšší účinnost a dosahují lepší poměr mezi výkonem a hmotností. Využití článků s více přechody umožňuje efektivnější využití celého spektra slunečního záření. Pracuje se také na zvýšení jejich radiační odolnosti, což je důležité právě pro možnost využívat solární panely u Jupitera s jeho intenzivními radiačními pásy.

Využití fotovoltaiky pro výrobu elektřiny v pozemských podmínkách

Na přelomu tisíciletí došlo také ke zlomu ve využívání fotovoltaiky v pozemské praxi. Efektivita samotných článků i jejich výroby vedla k tomu, že jejich cena a také cena elektřiny z nich vyrobené klesla natolik, že se postupně začala stále více otevírat možnost využívání fotovoltaických panelů pro produkci elektrické energie pro domácnosti. Jestliže ještě v roce 1977 byla cena křemíkových článků přes 70 dolarů na watt výkonu, v roce 1987 už byla na hodnotě 10 dolarů na watt, v roce 2005 se blížila 5 dolarům za watt a pak začala prudce padat, takže okolo roku 2015 se blížila k 0,3 dolaru na watt. Prudký pokles cen byl způsoben nejen pokrokem výrobních technologií, ale hlavně rozjezdem hromadné výroby a stále rychlejším zvyšováním množství vyrobených článků. Dalším faktorem byl přesun velké části produkce do Číny.

Solární park Auga Caliete s výkonem 290 MW patří k těm největším (zdroj Center for Land Use Interpretation, 2014)

V tomto století tak začaly v celém světě intenzivně růst výkony i produkce fotovoltaických elektráren. Před rokem 2004 nebyl celkový výkon fotovoltaických elektráren ve světě ani 1 GW. Na konci roku 2014 už byl celkový výkon fotovoltaických elektráren 177 GW a roční výroba překročila 200 TWh, což reprezentovalo podíl na světové produkci elektřiny okolo 1 %. Hlavně decentralizovaná výroba je ve vhodných podnebných a místních podmínkách plně konkurenceschopná s jinými zdroji elektřiny. A v následujících letech lze očekávat další intenzivní rozvoj.

Sonda Deep Space 1 poprvé použila fotovoltaické články s koncentrátorem (zdroj NASA).

Na rozdíl od vesmírných aplikací není u pozemních tak důležitá účinnost a nízká hmotnost, podstatnější je nízká cena. To je důvodem, proč se často využívá polykrystalický křemík. Rychlý rozvoj hromadné výroby a široké uplatnění fotovolatické produkce elektřiny zlevnily i panely pro vesmír a také zintenzivnily vývoj nových materiálů a hledání možností, jak zlepšit parametry fotovoltaických panelů.

Typickou dominantou komunikačních sond jsou panely slunečních baterií. Satelit Intelstat 23 (zdroj Orbital Sciences).

Hledání cest k co nejlepší účinnosti a dalším vlastnostem

Cest ke zlepšování vlastností fotovoltaických článků existuje několik. Světlo vyzařované Sluncem má spektrum odpovídající záření absolutně černého tělesa s teplotou 5700 K a jak už bylo zmíněno, celkový výkon záření dopadajícího na jednotku plochy ve vzdálenosti Země je ve vakuu téměř 1368 W/m². Účinnost fotovoltaického článku je dána tím, jakou část spektra dokáže využít a jak efektivně. Zároveň část energie fotonu, která překračuje hodnotu potřebnou pro produkci elektron děrového páru, se přemění na teplo. Toto teplo už nelze využít pro produkci elektřiny, pokud se nevyužijí speciální technologie převodu tepla na světlo vhodné vlnové délky.

Systém koncentrátorů SCARLET u sondy Deep Space 1 (zdroj Sheila Bailey and Ryne Raffaelle: kapitola Space Solar Cells and Arrays v knize vydané nakladatelstvím John Wiley & Sons)

Již v šedesátých letech se publikovaly odhady limitní účinnosti (tzv. Shockleyův-Queisserův limit) pro křemíkové fotovoltaické články s jedním přechodem okolo 33 %. K vyšším účinnostem se lze dostat využitím dalších materiálů a články s více přechody kombinované z různých materiálů, které rozšíří rozsah využívaného spektra. Tak se lze dostat k hodnotám okolo 60 %. Dalším krokem ke zvýšení účinnosti je koncentrace zrcadly a čočkami. Sluneční světlo se tak sbírá z větší plochy a dopadá na fotovolatický článek menšího rozměru. Zlepšuje se tak poměr mezi dosaženým výkonem a plochou polovodiče. Koncentrace je taková, že poměr mezi plochou, ze které se sbírá sluneční záření, a plochou fotovoltaického článku může být dokonce 500 až 1000. V tomto případě se limitní účinnost dostává přes 60 %. Další možností, jak zvýšit účinnost, je využití termofotovoltaických článků, ve kterých je fotovoltaický článek spojen s materiálem, který dokáže odpadní teplo přeměňovat na záření se správnou vlnovou délkou pro daný fotovoltaický článek. Tímto materiálem jsou nanofotonické krystaly, které po zahřátí emitují světlo s danou vlnovou délkou. Využije se tak i zmiňované odpadní teplo.

Nejlepší křemíkové sluneční články mají v současné době účinnost mezi 20 až 25 %. Na vesmírných sondách se v případě nutnosti dosažení vysokého výkonu a potřebě nízké hmotnosti slunečních panelů využívají převážně sluneční články založené na základě galium arsenidu, který má vyšší účinnost než krystalický křemík. Dosahuje se až okolo 35 %. Nejvyšší účinnost má článek s více přechody kombinující galium arsenid s křemíkem, který umožňuje využívat nejširší oblast spektra. U nich se v laboratoři dosahuje účinnost blížící se 40 % a s koncentrátorem i přes 40 %. V posledních letech se také vyvíjejí články na bázi organometalických materiálů s perovskitovou krystalickou strukturou. V roce 2009 měly účinnost jen okolo 4 % a nyní už dosahují okolo 20 % a je zde vysoký potenciál dalšího růstu.

Účinnost pro různé typy fotovoltaických článků jak se je postupně daří docílit v laboratořích, absolutní maximum je nyní 46 % (zdroj Wikipedie).

Koncentrátory se poprvé ve vesmíru objevily u sondy Deep Space 1, která testovala nové technologie. Mezi nimi byl i koncentrátor SCARLET (Solar Concentrator Arrays with Refractive Linear Element Technology). První použití koncentrátoru bylo úspěšné. Velikost koncentrace byla 7,5. U každého ze dvou panelů bylo využito 720 Fresnelových čoček, které koncentrují světlo na 3600 fotovoltaických článků. Využívaly se GaInP/GaAs DJ články, zkratka DJ (Double Junction) znamená, že se využily dva přechody. Dva panely dokázaly celkově dodat výkon 2 500 W. Sluneční baterie v tomto případě zásobovaly elektřinou iontové motory.

Konečná konfigurace stanice ISS (zdroj NASA).

Kromě účinnosti je největší vyzvou u slunečních panelů pro vesmírné aplikace zvýšení radiační odolnosti a zpomalení procesu degradace a snižování výkonu. To je u současných panelů v „normálních“ podmínkách na orbitě okolo Země zhruba o 30 % za deset let. Závisí na použitém materiálu a technologii výroby. Ve většině případů však je pokles zpočátku rychlejší a postupně se zpomaluje.

U sond, které se dostávají do blízkosti Slunce, jako byl například Messenger zkoumající Merkura, se musí řešit jiný problém. Účinnost je totiž silně závislá na teplotě a třeba u sondy Messenger bylo důležité udržet je pod teplotou 130˚C. Velmi vysoká intenzita slunečního záření je tak spíše na škodu.

Solární panely vesmírné stanice ISS (zdroj kosmonautka Samantha Cristforettiová, NASA).

Příklady kosmických aplikací

Podívejme se ještě na některá další zajímavá vesmírná zařízení využívající solární panely. Jedním z velkých zlomů byla laboratoř Skylab v roce 1973. V té době se jednalo o vesmírný objekt s největší plochou solárních baterií. Byly zde dva systémy založené na křemíkových článcích. První měl dvě solární plochy, každou s 73 920 fotovoltaickými články, které měly dodávat celkový výkon okolo 6 kW. Jedna z nich však byla zničena při startu. Druhý se skládal ze čtyř ploch, které měly dohromady 164 160 fotovoltaických článků dvou rozměrů, které dohromady dodávaly zhruba 10 kW.

Marsovské vozítko s vyklopenými panely (zdroj NASA).

Největší plochu i výkon solárních panelů má v současné době vesmírná stanice ISS. Fotovoltaické panely mají rozpětí 73 m a na celkové ploše 2 500 m² je 262 400 solárních článků. Dodávají celkový výkon mezi 84 až 120 kW.

Rosseta byla před sondou Juno nejvzdálenější zařízení využívající sluneční panely. Jejich plocha byla 61,5 m². Jednalo se křemíkové Hi-ETA články a u Země dokázaly poskytnout elektrický výkon 7,1 kW.

Sluneční panely používaly také vozítka Opportunity a Spirit na Marsu. V jejich případě se bylo potřeba vypořádat s tím, že krátkovlnná část slunečního spektra je intenzivně pohlcována marsovskou atmosférou. Dále je třeba počítat s prachem hlavně v době prachových bouří. To je důvod, proč tato vozítka měla pro zajištění tepelné pohody hlavně v období marsovské zimy radionuklidové zdroje. Vozítka měla solární panely s pokročilými fotovoltaickými články se třemi přechody, které dokázaly dodávat 140 W po dobu zhruba čtyř hodin marsovského dne.

Testování a příprava fotovoltaických panelů sondy Juno (zdroj NASA).

Sonda Juno

Zatím nejdále od Slunce se dostala sonda Juno. Aby u Země dodala potřebný výkon, je celková plocha baterií je přes 60 m², na které je více než 18 000 fotovoltaických článků, které u Země dodávaly výkon 14 000 W. Reálná účinnost tak je okolo 17 %. Použité solární články se třemi přechody jsou účinnější a mají hlavně větší odolnost proti radiační zátěži než klasické křemíkové. I tak však se sonda musí vyhnout radiačním pásům Jupitera a silné radiaci v nich. Zároveň musí být zajištěno, aby byla stále vystavena slunečním paprskům. To určovalo výběr oběžné dráhy kolem Jupitera

Zhruba polovina potřebného výkonu 420 W je využívána k ohřevu sondy a druhá polovina stačí na provoz všech přístrojů. Když si uvědomíme, že tento výkon nestačí k provozu většiny našich domácích spotřebičů, je vidět, jak efektivní musí být všechno přístrojové vybavení sondy. Jen díky velmi úsporné elektronice je vůbec možné, aby sonda Juno dokázala fungovat pouze se solárními panely.

Start rakety Atlas V se sondou Juno (zdroj NASA).

Právě kvůli problémům s výrobou plutonia 238 a radioizotopových generátorů studuje NASA možnosti, jak umožnit činnost sond se solárními panely až k Saturnu (dvojnásobná vzdálenost od Slunce než Jupiter) a Uranu (čtyřnásobná). Intenzita slunečního svitu by u těchto planet byla čtyřnásobně a šestnáctinásobně menší než u Jupitera. Taková možnost není sice vyloučena, ale byla by obrovskou výzvou. Bylo by potřeba zvýšit účinnost článků a snížit jejich hmotnost. Výkon na jednotku hmotnosti panelu by bylo třeba zvýšit do oblasti okolo 500 W/kg a využít nepokročilejší články s mnoha přechody a koncentrátory. Pokrok, který je pozorovatelný však ukazuje, že je tato výzva řešitelná.

Jeden z prvních snímků Jupitera a jeho měsíců pořízených sondou Juno 28. června ze vzdálenosti 6,2 milionů kilometrů (zdroj NASA).

Pokud se Juno podaří 4. července úspěšně zakotvit na oběžné dráze okolo Jupitera, měla by tam pracovat 20 měsíců do února 2018. Klíčové pro úspěch je zapálení hlavního motoru sondy, který by měl pracovat 35 minut. Musí se také dostat na správnou dráhu, aby nedošlo k poškození příliš silnou radiací v radiačních pásech planety.
Držme tedy v pondělí sondě, organizaci NASA i nám palce a těšme se na nové informace o Jupiteru.

Řídící středisko projektu Juno

Aktualizace

V noci z pondělí na úterý se na 35 minut zapálil motor sondy Juno vyrobený ve Velké Británii a zpomalil sondu natolik, že byla zachycena Jupiterem a dostala se na oběžnou dráhu této největší planety ve Sluneční soustavě. Oběžná doba této dráhy je 53 dní. Informace o tomto úspěchu přišla na Zemi v 5:53 našeho času a v řídícím středisku propukl jásot. Po cestě, která měla délku 2,8 miliard kilometrů, se sonda stala teprve druhou, která bude pracovat na orbitě okolo planety. Sonda byla tou nejrychlejší, kterou zatím lidstvo ve vesmíru mělo. Její rychlost dosáhla při příletu k Jupiteru, tedy před brzdícím manévrem, rychlosti 71,5 km/s vůči Jupiteru a 74 km/s vůči Zemi. Sonda se tak může pustit do zkoumání Jupiterovy atmosféry i jeho nitra a také okolí a magnetosféry, jejíž intenzita je 20 000 krát větší než té pozemské.