Solargeneratoren für die Raumfahrt

Solarzellen wandeln Licht direkt in elektrische Energie um. Der diesem Vorgang zugrunde liegende photovoltaische Effekt wurde bereits 1839 von A.E. Becquerel an Platin Elektroden, die in eine saure Lösung eintauchten, beobachtet. Die nächste wichtige Entwicklung stammt von Adams und Day, die erstmals 1877 den photovoltaischen Effekt an einem Festkörper, nämlich Selen, beobachteten. Die erste „Solarzelle“ ist C.E. Fritts zuzuschreiben, der 1883 eine großflächige Anordnung (ca 30cm²) einer dünnen Selen-Schicht zwischen einer Messing- und einer dünnen Gold-Elektrode beschrieb und bereits auf das enorme Potential einer photovoltaischen Anlage zur Energieerzeugung aufmerksam machte. Doch diese Entdeckung wurde erst 1930/31 von B. Lange und L. Bergmann wieder aufgenommen und weiterentwickelt. 1941 wurde die erste lichtempfindliche Siliziumanordnung von R.S. Ohl beschrieben doch die erste brauchbare Si-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 6% wird erst 1954 von Pearson, Fuller und Chapin vorgestellt und die Bell Laboraties demonstrieren mit dem Betrieb eines Sprechfunkgeräts die erste Photobatterie. Damit wurde die Solarzelle auch für die Industrie interessant. Man begann ihre Physik besser zu verstehen, die Fertigungsprozesse wurden verbessert und man fand einen vielversprechenden Markt, die Raumfahrt.

Das freie Atom besteht aus einem Kern, um den auf diskreten Bahnen Elektronen kreisen. Um ein Elektron von der (n-1)-ten in eine höhere, n-te Bahn zu heben, wird Energie benötigt. Diese entspricht genau dem energetischen Unterschied ΔE = E_n - E_n-1 der Bahnen, die mit wachsendem Abstand vom Kern immer „dichte?“ werden (ΔE ~1/Δn²). Der Energieunterschied ΔE zwischen 2 benachbarten Bahnen wird immer geringer und nähert sich dem Kontinuum, je weniger das Elektron an den Kern gebunden ist (Abbildung 2-1).

Die meisten heutigen Solarzellen sind flache, einkristalline Plättchen. Der pn-Übergang liegt im allgemeinen horizontal, die relativ dünne Emitter-Schicht ist der Sonnenstrahlung zugewandt. Die elektrischen Kontakte sind auf der Vorder- und auf der Rückseite. Die Zellfläche war bei den ersten Si- und GaAs-Ausführungsformen 1 × 2cm², dann 2 × 2cm² und 2 × 4cm². Inzwischen richtet sich die Größe einer Solarzelle nach den speziellen Anwendungskriterien und wird lediglich durch die Größe bzw. den Durchmesser des gezogenen Einkristalls (2“=50,8mm in den frühen 70-er Jahren, 3“=76,2mm Ende der 70er Jahre, 4“=101,6mm in den 80-er Jahren und 5“ − 6“ = 127,0mm-152,4mm in den 90-er Jahren) begrenzt. Die typische Entwicklung der Solarzellengrößen für Raumfahrtanwendungen bei DASA (vormals MBB) ist in Abbildung 3-1 dargestellt.

Bei der Auswahl des Solarzellentyps wie auch bei seiner Herstellung spielen mehrere raumfahrtspezifischen Faktoren eine Rolle wie etwa

Ein Modul ist eine verschaltete Einheit von n Solarzellen in Serie und m Solarzellen parallel. Die Größe eines Moduls bzw. der Zahlen n und m richtet sich nach regelungsbzw. fertigungstechnischen Gesichtspunkten. Im allgemeinen wird man versuchen, den Modul entsprechend den Möglichkeiten des Reglers zu dimensionieren etwa bezüglich Spannung und maximal zulässigem Strom. Damit legt man die Anzahl Solarzellen in Serie und parallel fest. Dies könnte zu sehr großen Modulen führen (z.B. 126 Zellen in Serie und 4 parallel beim Intelsat V Solargenerator), die fertigungstechnisch nicht gut handhabbar sind. Deshalb baut man häufig eine Regeleinheit aus mehreren Modulen auf z.B. bei Intelsat V aus 3 Modulen à 42 x 3 bzw. 42x4 Zellen. Die Regeleinheit selbst heißt dann Sektion und bestand beim Intelsat V Solargenerator aus 126x3 bzw. 126x4 Zellen. Ein Solargenerator besteht dementsprechend dann aus x Sektionen.

Der Weltraum ist erfüllt von atomaren Teilchen verschiedener Art und Herkunft. Die Erdoberfläche ist gegen diese Korpuskularstrahlung weitgehend geschützt durch die Atmosphäre und durch das Magnetfeld der Erde. Raumfahrzeuge aber, die die Atmosphäre verlassen und sich auf Umlaufbahnen um die Erde noch im Bereich des Erdmagnetfeldes bewegen, sind ihr voll ausgesetzt. Deshalb sollen in diesem Kapitel die wichtigsten Komponenten der Weltraum-Korpuskularstrahlung quantifiziert und ihre Wechselwirkung mit Solarzellen dargestellt werden. Eine detaillierte Darstellung der Wechselwirkung zwischen Korpuskularstrahlung und Solarzellen findet sich in Lit. 6.1 und Lit. 6.19.

Um Solargeneratoren nach den Leistungsanforderungen von Satelliten auszulegen sind folgende Tatsachen zu beachten:

Bei den Solargeneratoren unterscheidet man entfaltbare Solarflügel und satellitenmontierte (bodymounted) Panels. Während man früher überwiegend satellitenmontierte Solargeneratoren auf meist spinnenden Satelliten flog, hat der wachsende Energiebedarf heutiger Satelliten den Übergang zu entfaltbaren Solargeneratoren beschleunigt.