La generazione di energia
elettrica a bordo dei veicoli spaziali
e l'influenza dei satelliti per
comunicazioni sull'innovazione degli accumulatori
Fin dall'inizio dell'era spaziale, il Department of Energy (DOE) statunitense, promuove lo sviluppo di generatori termoelettrici a radioisotopi, che convertono in energia elettrica il calore generato dal decadimento di un radioisotopo (il plutonio-238). Questi generatori producono energia in forma autonoma e sono pertanto adatti a missioni spaziali a grande distanza dal Sole e quindi non alimentabili tramite pannelli solari. Il primo generatore termoelettrico è usato nel veicolo spaziale Navy Transit 4A, lanciato nel luglio 1961. Fra il '61 e il '72, il DOE fornisce generatori dello stesso tipo a sei satelliti di navigazione destinati alla marina militare e a due satelliti di comunicazioni per l'aeronautica. Altri generatori a radioisotopi sono usati, dal 1969 al 1972, nelle missioni Apollo, per alimentare le stazioni sismiche sul suolo lunare e, successivamente, nei veicoli spaziali Pioneer, Voyager, Galileo e Ulysses, destinati a missioni di esplorazione entro e fuori dai limiti del sistema solare.
Oltre i generatori a radioisotopi, sono usate anche pile a combustibile e accumulatori.
Nelle celle a combustibile si sfrutta la tendenza degli atomi d'idrogeno e d'ossigeno a combinarsi fra loro per formare molecole d'acqua, liberando elettroni e generando energia elettrica. L'acqua prodotta dalla reazione chimica è assolutamente pura, non è quindi inquinante e può essere tranquillamente bevuta.
Inversamente, se si dispone di una sorgente esterna di elettricità (ad esempio un pannello solare), la cella a combustibile può essere usata anche in senso inverso, cioè per dissociare l'acqua nei suoi elementi componenti, così da poterli riutilizzare per produrre di nuovo energia elettrica.
Le celle a combustibile possono essere usate in missioni spaziali nell'ambito del sistema solare perché durano più a lungo degli accumulatori a nichel-cadmio e non richiedono i costosi componenti radioattivi dei generatori termoelettrici: in particolare sono state utilizzate nella prima missione Apollo sul suolo lunare, dove l'acqua prodotta veniva bevuta dagli astronauti.
Ma le celle a combustibile sono di peso notevole e per lunghe distanze si pone l'alternativa fra il costoso trasporto nello spazio di grandi quantità di combustibile e l'uso di sorgenti esterne (ad esempio pannelli solari, se non ci si allontana troppo dal Sole), che permettano di alternare la produzione di energia elettrica e la dissociazione dell'acqua in uscita dalla pila, in modo da poter ricavare da essa l'ossigeno e l'idrogeno necessari per il funzionamento della la pila a combustibile come generatore. D'altra parte, la necessità di installare sul satellite, oltre la cella a combustibile, anche i pannelli solari per la sua alimentazione in funzionamento inverso, può fare preferire soluzioni energetiche più semplici, basate sull'uso dei soli pannelli solari.
Per quanto riguarda infine gli accumulatori (a nichel/cadmio, a nichel/idruri metallici o a ioni di litio), essi possono risolvere, anche se con qualche limitazione, il problema dell'alimentazione elettrica nei satelliti per comunicazioni.
Questi satelliti ricavano generalmente l'energia elettrica per il funzionamento dei loro apparati, da pannelli di celle foto-voltaiche tenuti costantemente orientati verso il Sole da un sistema di puntamento automatico. Vanno anche affrontati i periodi d'ombra prodotti dalle numerose eclissi di Sole a cui sono soggetti i satelliti nella loro rotazione attorno alla Terra. Il numero di eclissi da affrontare, va da un centinaio all'anno (nel caso dei satelliti geostazionari che si muovono lungo l'orbita equatoriale, alla quota di 36000 km e con periodo di 24 h) ad alcune migliaia (nel caso dei satelliti che seguono orbite più basse, con perio notevolmente più brevi).
Durante ogni eclisse, l'energia elettrica utilizzata a bordo del satellite artificiale deve essere fornita da accumulatori, che naturalmente andranno ricaricati dai pannelli solari durante i periodi di esposizione alla luce solare.
Dato che la durata in servizio prevista, può superare i 15 anni, per un satellite geostazionario, ed i 6 anni, per un satellite a bassa quota, gli accumulatori destinati ai satelliti per comunicazioni, dovrebbero poter sopportare da 1500 a 40000 cicli di carica e scarica senza guasti e senza bisogno di alcuna manutenzione.
Si tratta quindi di prestazioni notevolmente superiori a quelle richieste usualmente nelle applicazioni terrestri. Questo implica l'uso di accumulatori di tipo avanzato e particolari accorgimenti di progettazione e di uso. Occorre in particolare che questi accumulatori siano sottoposti, durante ogni eclisse, a scariche poco profonde.
Nonostante tutte queste precauzioni, nei satelliti per telecomunicazioni sono stati comunemente usati, fin dall'inizio, accumulatori a nichel-cadmio e a nichel-idrogenuri metallici, con energie specifiche che non superano i 24-36 Wh/kg (se si tiene conto del peso complessivo dell'accumulatore, contenitore compreso).
Dato che gli accumulatori rappresentano il 15% del peso di un tipico satellite per telecomunicazioni e circa la metà del suo carico utile e che il lancio di un satellite geostazionario comporta costi dell'ordine di 50 k dollari/kg, si capisce perché gli accumulatori a nichel-idrogenuri metallici abbiano potuto soppiantare quelli a nichel-cadmio, solo per il fatto di essere del 30% più leggeri.
Più recentemente, i progressi compiuti nei primi anni Novanta, nello sviluppo degli accumulatori a ioni di litio, hanno aperto la strada a prospettive di applicazione anche per questo tipo di accumulatore, che presenta energie specifiche relativamente alte (dell'ordine del centinaio di Wh/kg).
La durata in servizio (1000 - 2000 cicli di carica e scarica) è ancora insufficiente rispetto alle esigenze più spinte dei satelliti per telecomunicazioni; ma vanno considerate anche altre caratteristiche peculiari:
- un'energia specifica, in Wh/kg, doppia di quella degli accumulatori a nichel-cadmio e a nichel-idruri metallici (senza corrispondenti aumenti di costo);
- una tensione ai terminali di ogni singolo elemento, pari a oltre 3 V, in luogo delle tensioni poco superiori al volt degli elementi elettrochimici di tipo diverso);
- l'immunità ai campi magnetici ( a differenza degli accumulatori a nichel-cadmio ed a nichel-idruri metallici, che risentono della presenza di questi campi a causa delle proprietà ferromagnetiche del nichel).
Un tipico esempio di utilizzazione degli accumulatori a
ioni di litio è
rappresentato dal satellite STENTOR, lanciato in orbita
geostazionaria nel 2000. Oltre a svolgere il servizio di telecomunicazioni nella banda Ku
(13,8 e 15,0 GHz), il satellite è impegnato nell'esperimento di propagazione EXPRESS diretto a
valutare l'influenza negativa delle condizioni atmosferiche sulla propagazione delle
onde elettromagnetiche nelle bande dei 20,7 e dei 41,4 GHz e sulla qualità
del servizio.
EXPRESS prosegue gli esperimenti di propagazione iniziati con i satelliti OTS, SIRIO, OLYMPUS e ITALSAT in Europa, con i satelliti ATS, COMSTAR e ACTS negli Stati Uniti, con i satelliti TTS, BS e CS in Giappone e con diverse iniziative INTELSAT in altre parti del mondo.
Il satellite STENTOR utilizza diverse tecnologie innovative che riguardano l'antenna, il controllo termico, il sistema di propulsione a plasma, i pannelli solari (con una potenza generata complessiva di 2,5 kW) e la batteria di accumulatori a ioni di litio, frutto di un progetto speciale, volto a massimizzare l'energia specifica di massa di questo tipo di accumulatori.
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