ESA

Bienvenue dans l'espace Jupiter : d'un côté se dresse la vaste face nuageuse de la plus grande planète de notre système solaire ; dans l'autre apparaît un Soleil rétréci, comme un projecteur dans le ciel, avec seulement 3% de l'illumination de l'orbite terrestre arrivant ici. Ce fait fondamental a présenté un défi majeur à ceux qui planifiaient la mission Jupiter Icy Moons Explorer, Juice, de l'ESA : comment faire fonctionner l'énergie solaire dans un environnement aussi sombre, situé à 778 millions de kilomètres en moyenne de notre étoile mère ?

C'était possible en théorie. Au cours de la décennie précédente, la mission Rosetta à énergie solaire de l'ESA s'était aventurée au loin de l'orbite de Jupiter dans le cadre de sa mission de rendez-vous avec une comète – mais elle a dû entrer en hibernation presque totale pendant 31 mois pour économiser l'énergie rare.

"C'était le problème - nous nous dirigions vers un endroit lointain et sombre", note Christian Erd, responsable du vaisseau spatial Juice. "L'une des premières activités de développement technologique soulevées pour la mission était de développer des cellules solaires qui pourraient certainement continuer à fonctionner autour de Jupiter. La bonne nouvelle était que la technologie avait beaucoup évolué depuis l'époque de Rosetta."

Cellules solaires à la pointe de la technologie

L'ingénieur en cellules solaires Carsten Baur a été chargé de trouver une solution : "Rosetta avait volé à une époque où les cellules solaires au silicium étaient encore à la pointe de la technologie. Depuis lors, les cellules solaires standard utilisées pour les missions spatiales sont passées à l'arséniure de gallium plus efficace. , utilisant une conception de cellules à triple jonction - ce qui signifie que trois couches de cellules sont superposées, chacune générant de l'énergie à partir de différentes longueurs d'onde de la lumière du soleil."

Le résultat est que, alors que les cellules solaires de Rosetta atteignaient environ 20 % d'efficacité, les dernières cellules à triple jonction GaAs atteignent environ 30 %. Mais il ne s'agissait pas de simplement transplanter des cellules solaires d'une mission générique à Juice. Ils devaient être spécifiquement testés pour leurs performances dans les conditions de `` basse intensité, basse température '' - ou LILT - qui prévalent autour de Jupiter, où la température des panneaux solaires de Juice lorsque le vaisseau spatial sort de l'éclipse peut tomber à seulement 30 degrés C en deçà de l'absolu zéro.

"Changez l'environnement et les comportements changent aussi", ajoute Carsten. "Nous avons donc dû adapter nos configurations de test à la faible luminosité et au froid. Nous avons commencé avec la dernière version de la cellule solaire européenne, la 3G30 d'Azur Space en Allemagne, qui a de bien meilleures performances à température ambiante que son prédécesseur 3G28. Mais la la même chose n'était pas vraie à des températures plus basses - ils avaient des défauts spécifiques activés thermiquement qui signifiaient que nous devions passer au 3G28."

Et une fois le type sélectionné, les lots de cellules individuels nécessitaient encore un examen détaillé.

Tester les performances

"La puissance que nous recevons sur Terre est d'environ 1360 watts par mètre carré", explique Carsten. « À Jupiter, cela ressemble plus à 50 watts par mètre carré, comme si nous allions à l'intérieur. Ce n'est toujours pas rien, mais ce ne sont pas des conditions standard pour faire fonctionner des cellules solaires. Tout défaut dans le semi-conducteur constituant la cellule solaire entraînera immédiatement une baisse de performance."

Aucun semi-conducteur n'est vierge et de petites imperfections de "chemin de dérivation" peuvent drainer une partie du courant généré par la lumière du soleil. Les ingénieurs des cellules solaires peuvent détecter ces chemins de dérivation en mesurant ce que l'on appelle le « courant d'obscurité ».

"Si vous avez 2 milliampères de perte à 500 milliampères de courant d'une constante solaire en orbite terrestre, ce n'est pas un problème. Mais si vous êtes à 16 milliampères à Jupiter, alors 2 milliampères seraient une perte assez importante, surtout parce que quand nous regrouper les cellules en une chaîne, alors le courant de cellule le plus faible dominera les sorties de courant de la chaîne."

Le courant d'obscurité des lots de cellules a été systématiquement mesuré par l'industrie sous la supervision de l'ESA, environ 25 % des échantillons n'ayant pas atteint la note.

Radiation : l'ennemi invisible

Un autre défi était d'évaluer les effets d'un autre facteur majeur de l'environnement de Jupiter : le rayonnement élevé.

Carsten commente : "Les cellules solaires des satellites de télécommunications géostationnaires sont bien sûr exposées aux radiations. Ce que nous constatons, c'est que, comme elles sont continuellement exposées à la lumière du soleil, les températures élevées les conduisent à un certain degré d'auto-guérison à cause des dommages causés par les radiations. Mais à Jupiter une telle auto-guérison n'est pas disponible.

"En conséquence, nous avons travaillé avec une équipe de l'Ecole Polytechnique en France qui disposait d'un cryostat portable et d'un simulateur solaire, pour reproduire les conditions d'éclairage telles qu'elles sont rencontrées à Jupiter. Cela nous a permis d'effectuer des tests de rayonnement à basse température et - sans augmenter la température entre les deux - pour effectuer des mesures de performance in situ pour évaluer le facteur de perte. Par contre, les cellules solaires fonctionnent plus efficacement à basse température.

Mincir

Dans l'ensemble, environ 24 000 cellules solaires sont nécessaires au total pour couvrir les 85 m² de panneaux solaires de Juice, soit la moitié de la surface d'un terrain de volley-ball ou l'espace de vie moyen d'une maison britannique.

Cette simple quantité de cellules solaires signifiait que toute réduction de leur taille pourrait réduire la masse de la mission de manière significative.

Le fonctionnement avec des courants plus faibles que la conception standard signifiait que l'épaisseur de la « métallisation » des cellules solaires sur leur face avant, utilisée pour transférer ces courants, pouvait être réduite sans entraver la fonctionnalité, tandis que le support en germanium sur lequel les cellules étaient posées était également mis à la terre. – amincissement chacun de 150 à 100 micromètres.

À l'inverse, le verre de protection était plus épais que la normale, pour protéger les cellules solaires contre les radiations, recouvert d'une couche nanométrique d'oxyde d'indium et d'étain et interconnecté par de minuscules fils de cuivre pour empêcher l'accumulation de charge électrostatique des particules énergétiques rencontrées dans l'espace - qui pourrait autrement finir par influencer les résultats des instruments magnétiques et plasma sensibles de Juice.

Un savoir-faire transmis à Europa Clipper

Les cellules solaires Azur Space 3G28 - avec des panneaux de substrat d'Airborne aux Pays-Bas, posés par Leonardo en Italie et intégrés par Airbus Defence and Space aux Pays-Bas - ont fini par devenir les cellules solaires les mieux caractérisées pour les conditions LILT. En conséquence, la mission Europa Clipper de la NASA vers Jupiter a pris la décision d'utiliser exactement les mêmes cellules solaires, ce qui représente non seulement une prouesse technique pour l'Europe, mais également un succès notable à l'exportation.

Au-delà de Juice, Carsten et ses collègues étudient dans quelle mesure l'énergie solaire pourrait encore être étendue dans le système solaire externe : "Nous pouvons encore augmenter l'efficacité par divers moyens, et également déployer de plus grandes zones, par exemple en utilisant des cellules solaires flexibles et des panneaux solaires. qui ont été développés pour les dernières missions de télécommunications de toute façon. Nous n'avons donc encore atteint aucune barrière de distance absolue.

Regardez la série de vidéos The Making of Juice

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