Airbus Defence and Space

So wird Sonnenenergie von Satelliten in elektrischen Strom umgewandelt

Das Licht der Sonne wird von den Solarzellen auf dem Solarmodul in elektrische Energie umgewandelt

Jeder Satellit im Weltraum benötigt elektrische Energie, und den liefert ihm die Sonne. Die hierfür nötigen Solarzellen sind robust und weisen mittlerweile eine Effizienz bis zu 29% auf. In den vergangenen 40 Jahren wurden vom CoC mehr als 450 Flugeinheiten (im Allgemeinen bestehend aus zwei Solarflügeln) mit einer Leistung von wenigen hundert Watt bis zu 26 kW entwickelt und gebaut. Bislang hat es im Betrieb noch nie einen Ausfall gegeben.

Stromversorgung im Weltraum

Ein Satellit ist für seinen Betrieb auf elektrische Energie angewiesen. Eine der Hauptaufgaben der Plattform ist das Sammeln, Speichern und Verteilen dieser Energie.

Solaranlagen

Nahezu alle Satelliten werden mit Solarstrom betrieben. Dazu sind sie mit einer Solarstromanlage ausgestattet, die im Allgemeinen aus einem oder mehreren Solarmodulen mit Solarzellen besteht, die das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie umwandeln. Die ersten hoch effizienten photovoltaischen Zellen (Solarzellen) wurden 1954 in den USA von Bell Laboratories, der Forschungsabteilung des Unternehmens AT&T, entwickelt. Diese Zellen konnten 6% der Sonnenstrahlen in elektrische Energie umwandeln. Der Einsatz der Solartechnologie ist heute sehr weit verbreitet. In der Regel werden Silikon-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 12-17 % und Galliumarsenid-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 29% verwendet. Zu Beginn der Lebenszeit dieser Zellen wird eine Gesamtleistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt, die allerdings im Laufe der Zeit abnimmt. Die Entwicklung der Galliumarsenid-Technologie geht kontinuierlich mit dem Ziel weiter, einen Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 30% zu erreichen. Die dazu erforderlichen hochtechnischen Werkstoffe sind allerdings erheblich teurer.

Die Solarmodule eines Satelliten sind beim Start eingefahren, um unter die Nutzlastverkleidung der Trägerrakete zu passen. Die Entfaltung der Sonnenkollektoren ist ein kritischer Moment. Im Fall einer Störung des Entfaltungsvorgangs kann der Satellit seinen Betrieb nicht aufnehmen und die Mission ist gescheitert!

Akkumulatoren

Woher werden Satelliten während einer Sonnenfinsternis mit Strom versorgt, wenn sich der Satellit im Schatten der Erde befindet?

Ohne Sonnenlicht kann kein Strom erzeugt werden. Sollte das bedeuten, dass die Menschen auf der Erde in sonnenlosen Zeitfenstern auf TV-Übertragungen und Telefonanrufe verzichten müssen? Um dieses Problem zu überwinden und in Spitzenverbrauchszeiten (vor allem für Erdbeobachtungssatelliten) über zusätzliche Energie zu verfügen, sind die Satelliten mit Akkumulatoren ausgestattet. Die Wiederaufladezeit dieser Akkumulatoren beträgt ungefähr 12 Stunden. Die häufigen Lade-/Entladezyklen, wie sie für Erdbeobachtungssatelliten typisch sind, verkürzen allerdings die Nutzungsdauer der Akkumulatoren und in der Folge auch die Nutzungsdauer des Satelliten!

Ein geostationärer Satellit erlebt nur zwei Sonnenfinsternisse pro Jahr zum Zeitpunkt der Tagundnachtgleiche (März, September), und diese Sonnenfinsternisse dauern nicht länger als 72 Minuten pro Tag bzw. 5% der Gesamtzeit. Für einen Satelliten auf einer niedrigen Umlaufbahn, der die Erde alle 100 Minuten einmal umkreist, belaufen Sie die Sonnenfinsternisse auf 40% der Gesamtzeit. Für die Akkumulatoren bedeutet dies eine erheblich stärkere Belastung.

Ausrichtung der Sonnenmodule

Die Sonnenmodule eines Satelliten müssen grundsätzlich in Richtung Sonne zeigen, um die größtmögliche Menge an Sonnenenergie sammeln zu können. Für die Nutzlast gelten allerdings nicht automatisch die gleichen Anforderungen. Daher werden zwei verschiedene Lösungen verwendet:

Auf Satelliten mit einer Drallstabilisation ist der gesamte Bus mit Solarzellen bedeckt, auch wenn nur jeweils ein Drittel tatsächlich Sonnenstrahlen empfängt.

Auf Satelliten mit einer Dreiachsenstabilisation sorgen Antriebsmechanismen dafür, dass die Sonnenmodule grundsätzlich in Richtung Sonne zeigen.

Stromverteilung

Die Satellitenplattform ist zusätzlich mit Energieumwandlungs- und -regulierungseinheiten ausgerüstet, um die Speicherung elektrischer Energie und deren Verteilung auf Nutzlast- und Servicegeräte zu steuern.

Tag-/Nacht-Zyklen

Kommunikationssatelliten: 920 Zyklen über 10 Jahre

Erdbeobachtungssatelliten: 27.000 Zyklen über 5 Jahre

Technologie