ידענים: Juno | אנרגיית השמש

מאת 5 באוגוסט 2016 10 תגובות

כמעט עשרים אלף התאים המותקנים על גבי החללית מסודרים בשלושה מערכים בגודל הקרוב לזה של משאית גרר גדולה הנושא עליה טרקטור. במסלול מסביב לכדור הארץ הלוחות הסולאריים מייצרים 14 קילוואט של חשמל, אולם, כאשר החללית נכנסה למסלולה מסביב לצדק, הלוחות יצליחו לייצר כמות זעומה של 400 וואט בלבד

הדמייה של ג'ונו בקרבת צדק. ניתן לראות בברור את הלוחות הסולאריים העצומים של הגשושית. איור: נאס"א

הדמייה של ג'ונו בקרבת צדק. ניתן לראות בברור את הלוחות הסולאריים העצומים של הגשושית. איור: נאס"א

[תרגום מאת ד"ר נחמני משה]

החללית ג'ונו, ששוגרה בתחילת שנת 2011, מצוידת במערך סולארי מרשים שמצליח לספק לה את האנרגיה הנדרשת לה לטובת מסע של חמש שנים לתוך מרחבי החלל, אפילו עכשיו, כאשר היא מתחילה את תקופת השהייה שלה בת 18 החודשים מסביב לכוכב הלכת הגדול ביותר במערכת השמש, צדק. סוכנות החלל האמריקאית (NASA) בחרה לספק אנרגיה לחללית מתוך מערכת פוטווולטאית בשל מחסור ביסוד הרדיואקטיבי פלוטוניום תוך שילוב של תאים סולאריים יעילים מאוד ומערך לוחות בעל מבנה מיוחד.

כמעט עשרים אלף התאים המותקנים על גבי החללית מסודרים בשלושה מערכים בגודל הקרוב לזה של משאית גרר גדולה הנושא עליה טרקטור. במסלול מסביב לכדור הארץ הלוחות הסולאריים מייצרים 14 קילוואט של חשמל, אולם, כאשר החללית נכנסה למסלולה מסביב לצדק, הלוחות יצליחו לייצר כמות זעומה של 400 וואט בלבד. למרבה הצער, המכשור המדעי והמחשב של החללית הם מערכות הצורכות אנרגיה רבה.

בתמונה מופיעים הלוחות הסולאריים של ג'ונו בזמן שהחללית מתקרבת לצדק. לג'ונו יש מערך הלוחות הסולאריים הגדול ביותר שנאס"א הפעילה אי-פעם, בהשוואה לכל משימה אחרת, למעט תחנת החלל הבינלאומית. החללית כוללת שלושה מערכים של לוחות סולאריים באורך של תשעה מטרים, המצוידים ב-18,698 תאים סולאריים פרטניים. (תמונה באדיבות NASA/JPL-Caltech).

המרחק הגדול מהשמש מאפשר קבלת עוצמה דלה ביותר של אנרגיה סולארית השווה לשיעור של 4.1-3.4% בלבד מהכמות שמגיעה לכדור הארץ. ולהוסיף קשיים על בעיות מבחינת הספקת אנרגיה לחללית ג'ונו, קרני השמש פועלות בסביבה של טמפרטורות נמוכות במיוחד. להלן מופיע חישוב בעזרת חוק סטפן-בולצמן (חוק פיזיקלי הקובע כי שטף הקרינה הנפלט מגוף שחור הוא פרופורציוני לחזקה הרביעית של הטמפרטורה שלו. לחוק חשיבות רבה באסטרופיזיקה, כיוון שהוא עוזר לקבוע את הגודל המוחלט של כוכב בהינתן הטמפרטורה שלו, שאותה ניתן למצוא בעזרת חוק וין) המאפשר חישוב כמות הקרינה הסולארית המומרת לחום. ניתן לחשב את טמפרטורת שיווי-המשקל של משטח שטוח בעזרת משוואת סטפן-בולצמן:

נוסחת בולצמן

נוסחת בולצמן

כאשר α הוא מקדם הבליעה הסולארי; I הוא עוצמת הקרינה; e הוא מקדם הפליטה התרמי הקדמי והאחורי (תחת הנחה של פליטה משני הצדדים); וסיגמא הוא קבוע סטפן-בולצמן השווה ל5.67 x 10-8 W/m2K4. עוצמת הקרינה דועכת בריבוע המרחק מהשמש.

10 תגובות ל “כיצד מצליחה החללית ג'ונו לקלוט אנרגיה סולארית ממרחק של כ-600 מיליוני ק"מ מהשמש”

  1. יוסי

    מ 1969 אין יותר מסעות בין כוכבים. 47 שנים.אני מסכים אתך לורם. אפשר להתגבר על סיכון כמו חומר רדיואקטיבי שמתפרק לאט.

    באשר לכור למטרות רכבי חלל גדולים יותר. נושאות מטוסים נוסעות 13 שנים עם ליבת אורניום אחת. אם חושבים על מסע למאדים, מדוע לכבות את המנועים, ולהיות תלוי בתזמוני מפגשים כדור ארץ ומאדים. כור גרעיני אפשר להפעיל ברגע מסויים. בזמן המסע באטמוספירה הוא יהיה מכובה. החומרים יהיו מבוזרים.

  2. לורם איפסום

    לפי הלינק המצורף הניצולת של הלוחות עומדת על 28%. יש לזכור שהחללית תוכננה ב-2003, וברור שהמדדים השתפרו מאז. באתר הזה הם טוענים כי "נזקקנו ל-50 מ"ר וחילקנו אותם לשלוש כנפיים", קצת שונה ממה שמופיע באתרים אחרים, באיזה 45%.

    http://www.popsci.com/how-juno-broke-distance-record-for-solar-powered-spacecraft

  3. חיים ש.

    ל-לורם איפסום. אם המספרים נכונים אז כל מ"ר נותן כ-200W. זאת נצילות עלובה ביותר (במונחים של נאס"א). יתכן והמספרים לא נכונים מאחר והלוחות בחלליות הן בנצילות מעל 45% בטכנולוגית multi junction. התאוריות היום מנבאות נצילות שמגיעה ל65% ויותר. לצערי היישום של הטכנולוגיה קשה ביותר ולכן עדיין לא רואים אותם בשוק. אנו קבוצת מדענים שעובדים על הטכנולוגיה החדשה וכשיהיו תוצאות נפרסם. הנוסחה של חוק סטפן-בולצמן (חוק פיזיקלי הקובע כי שטף הקרינה הנפלט מגוף שחור הוא פרופורציוני לחזקה הרביעית של הטמפרטורה שלו), אינו שייך לכאן. זה פרמטר של עוצמת הקרינה ולא של תכונות הלוח הסולרי. ללוח הסולרי יש חישובים אחרים.

  4. לורם איפסום

    לא צריך כור גרעיני שלם לחללית כזו. מה שצריך נקרא RTG, שאינו אלא חתיכה קטנה של פלוטוניום 238, שמתפרק ומפיק חום שהופך לאנרגיה חשמלית. הבעיה: לנאס"א חסר קצת מהחומר הזה, וגם כל האידיוטים הטכנולוגיים נכנסים להיסטריה כשהם שומעים ש"כור גרעיני" עומד לחלוץ בגובה כמה אלפי קילומטרים מחוץ לאטמוספרה. אז נאס"א שמו את הקולטים הסולריים הענקיים האלו על החללית, ייקרו את השיגור באלוהים יודע כמה מיליוני דולרים, העבירו את החללית למשטר דיאטה קפדני של 400 וואט, צמצמו את המכשור הטכנולוגי שהעמיסו עליה בגלל זה ובגלל המשקל הנוסף של הקולטים ויצאו לדרך.

    https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%92%D7%A0%D7%A8%D7%98%D7%95%D7%A8_%D7%A8%D7%93%D7%99%D7%95%D7%90%D7%99%D7%96%D7%95%D7%98%D7%95%D7%A4%D7%99_%D7%AA%D7%A8%D7%9E%D7%95%D7%90%D7%9C%D7%A7%D7%98%D7%A8%D7%99

  5. יוסי

    מדוע לא כור גרעיני קטן.
    אם החשש הוא שבאטמוספירה יקרה כשל, אפשר כור שנכנס לפעולה לא מן התתחלה.
    אני מבין שבקרת כור גרעיני היא מאד מורכבת והסיכוי לכשל גדול. אבל אז הכשל הוא בחלל. אין בו סכנה לכדור הארץ.

  6. לורם איפסום

    לג'ונו שלושה פנלים סולריים שממדי כל אחד מהם הוא 2.7 מטר על 8.9 מטר, ואין צורך להסתבך (כפי שאוהבים האמריקאים) עם סמי טריילר שנושא טרקטור (או להפך) או שטחים של מגרשי כדורגל ונפחים של אולמות סקווש.

    https://www.youtube.com/watch?v=IL_tU5zn6u0

    באופן כללי מערך סולרי באמת לא מעשי במרחקים כאלו מהשמש והדבר הופך להיות בלתי מעשי לחלוטין במרחקים קצת יותר רחוקים מהשמש, כמו בקרבת שבתאי או אפילו אורון ורהב. גם סביב המאדים או על פניו יש לקולטים סולריים בעיות לא מועטות והפתרון מצוי בתחום אחר לגמרי, שלמרבה הפלא ניתן ליישם גם במאדים, אבל בעיקר כאן בכדור הארץ:

    https://www.youtube.com/watch?v=0BybPPIMuQQ

    קצת ארוך, אבל שווה את ההשקעה.

  7. רוני

    לא הבנתי כמה דברים במאמר. בסביבת צדק הלוחות מייצרים 400וואט. המכשור צורך הרבה אנרגיה. האם הכוונה שצורך יותר מ 400ואט ויש לנאסא איזה טריק כדי להתגבר על המחסור ? או שהם מאוזנים מבחינת צריכה מול אספקת חשמל ? כמו כן לא הבנתי את נוסחת בולצמן (שאני לא מכיר אותה). ברור שמי שנמצא רחוק פי 5 ממקור האור, יראה אותו חלש פי 5 בריבוע. כלומר כ 4% (5 זה יחידות אסטרונומיות). האם יש עוד פרמטר שקשור לטמפרטורת הלוחות ? האם בזה עוסקת נוסחת בלצמן ?

  8. הרצל

    מה זה "משאית גרר גדולה הנושא עליה טרקטור"? האם הכוונה ל-TRACTOR TRAILER? – בעברית קוראים לזה "סמי-טריילר" ואולי לאקדמיה יש שם?
    כל עניין קרינת הגוף השחור לא קשור לקולטי השמש. גם בלי שום נוסחה אפשר להסביר שרחוק מהשמש פשוט יותר קר מאשר כאן. ולא ברור לי אם לטמפרטורה נמוכה יש השפעה על קולטי השמש, חוץ מבעיות מכניות.

הוספת תגובה

  • (will not be published)