Nello scorso articolo è stato affrontato il problema del rendimento dei pannelli solari e del controllo della temperatura generale del satellite. È un problema le cui variabili, purtroppo, non derivano solo dai flussi termici esterni ma ci sono anche da flussi interni, che modellati assieme, sono chiamati generazione interna. I contributi più notevoli sono dovuti all’apparato elettronico e al computer di bordo. Quest’ultimo ha un contributo importante dovendo in genere gestire tutto il software che fa funzionare il satellite e il payload a bordo.

I componenti elettronici devono distribuire la potenza prodotta dai pannelli nei momenti giusti e nei luoghi giusti. Inoltre, questi ultimi hanno dei requisiti molto stringenti per quanto riguarda il range di temperature alle quali funzionano, tra i -10 e i +40 gradi centigradi. Si surriscaldano per via del passaggio di potenza elettrica nei loro cavi e contatti, che essendo di metallo, avranno una conducibilità termica legata alla resistenza elettrica. Questa caratteristica definisce un riscaldamento in fase di utilizzo; che non può essere smaltito montando una ventola a bordo, come si fa sui classici computer a Terra.

Le batterie, pur non surriscaldandosi per via del loro funzionamento, come i pannelli e i dispositivi elettronici, si basano su precise reazioni chimiche e perciò hanno un range di temperatura ammissibile tra i -10 e +15 gradi centigradi. La soluzione non prevede solo il controllo termico del satellite ma anche batterie e dispositivi di controllo della potenza devono essere progettati e controllati alla perfezione.

Come controllare potenza e temperatura all’interno di un satellite

Partiamo dalla potenza che arriva dal satellite sotto forma di corrente continua. Questa potenza dipende dalle condizioni esterne di cui si scriveva nello scorso articolo, e potrebbe non coincidere con i bisogni interni del satellite. La potenza prodotta potrebbe essere zero durante un eclissi, ma quella richiesta potrebbe essere decisamente diversa da zero. Oppure, al contrario, i pannelli solari potrebbero produrre più energia di quella richiesta.

Inoltre, è necessario che la potenza sia declinata nei valori di voltaggio e corrente corretti per poter accedere ai dispositivi elettronici; come nella nostra rete casalinga, vicino alle prese e agli interruttori si può trovare scritto “220 Volt” poiché gli ampere ammessi sono massimo 10, per un totale di 2 kiloWatt casalinghi. Se vengono superati, “salta la corrente”. Per evitare che ciò accada a bordo di un satellite, si dispone un’apparecchiatura elettronica che regoli l’ingresso di potenza nell’apparato elettrico. Questo apparato funziona secondo due possibili algoritmi.

• Il DET è il più “rustico” e semplice. Viene predisposto principalmente nelle missioni dove la potenza prodotta dai pannelli è troppa. Si tratta di dimensionare il carico termico in modo che il satellite si possa permettere un banco di resistori che dissipino potenza in calore, abbassando la corrente prodotta e/o il voltaggio per poter accedere al sistema elettronico.
• Una soluzione più elegante è il PPT, che invece viene utilizzato per missioni dove è importante usare tutta la potenza possibile. Questo è di fatto un inverter DC-DC che fa sì che entri nel blocco elettronico sempre il massimo possibile della potenza elettrica.

Il percorso della corrente a bordo di un satellite

A questo punto, una quota della potenza andrà a ricaricare le batterie, così che possano funzionare nei picchi di utilizzo e durante le eclissi. La restante viene distribuita, tramite cavi, a tutti i sottosistemi e payloads che ne necessitano. La dimensione dei cavi è molto importante, in quanto la sezione è inversamente proporzionale alla resistenza mentre la lunghezza è direttamente proporzionale: un cavo corto e grosso è molto efficiente elettro-termicamente, ma ingombrante e pesante. All’ingresso di ogni carico può essere posto un inverter che allinei le necessità di corrente e voltaggio. Si può anche predisporre un livello di voltaggio e corrente a monte di tutti i carichi, definendo quindi “regolato” l’intera scocca del satellite.

L’ingegnere deputato allo sviluppo elettronico deve anche premunirsi da eventuali guasti ed eccessi di potenza. Per far ciò, si utilizzano elementi non dissimili dalle reti domestiche e industriali quali fusibili, sezionatori e interruttori. Questi elementi, se rilevano un voltaggio, una corrente o una potenza fuori livello, interrompono il flusso della corrente. Infine, per la protezione elettrica dei device elettronici, bisogna tener conto anche del plasma presente nell’ambiente spaziale esterno.

L’incognita del plasma

L’alta conduttività del plasma permette alle superfici del satellite di caricarsi elettricamente. Lo fa però in maniera non uniforme, essendo il plasma volatile e un fenomeno transiente, dato che in genere un satellite passa in una regione ad alta densità plasmatica per un breve lasso di tempo. La carica non uniforme delle superfici permette la creazione di differenze di potenziale parassite e quindi un aumento delle correnti nei dispositivi elettronici. Queste potrebbero anche portarle a livelli non accettabili, compromettendo il device.

Ogni componente a rischio di sovracorrente dev’essere dotato di una gabbia di Faraday: un contenitore di materiale conduttore in grado d’isolare completamente il suo interno da campi elettromagnetici al suo esterno; infatti le cariche, su un conduttore cavo come una sfera vuota tipo un pallone da calcio, si distribuiscono solo all’esterno.

La messa a terra

Infine, è necessaria una messa a terra comune per tutto lo spacecraft. Questa ha il compito di rendere il potenziale uniforme per ogni componente, funziona cioè come le messe a terra che abbiamo nelle nostre abitazioni. Riduce allo stesso valore tutti i sovraccarichi di tensione, che siano provocati da un vortice plasmatico o da un fulmine che colpisce il nostro tetto. Un altro rischio per i componenti elettronici è quello delle radiazioni, in grado di alterare i codici binari che li regolano. Un 1 al posto di uno zero può essere fatale… Per evitare questa situazione, si possono costruire circuiti ed elementi ridondanti oppure dotarsi di costosi dispositivi rad-hard testati per resistere alle radiazioni più pericolose.

Lo sviluppo dell’Electronic Power System che è stato descritto in questo articolo è ormai a un ottimo livello di Stato dell’Arte, permettendo a migliaia di satelliti di portare a termine la missione con successo. Tuttavia, le problematiche da affrontare sono numerose e così devono essere le innovazioni. Ne vedremo alcune nel prossimo, e ultimo articolo di questa serie.

Energia Elettrica nello spazio è una rubrica in sei articoli dedicata ai metodi di produzione e conversione dell’energia nello spazio, ideata e scritta da Mattia Ghedin. Tutti gli articoli precedenti di questa rubrica possono essere trovati qui.

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