Problematika akumulátorů v pikosatelitech CubeSat
- Podrobnosti
- Kategorie: Družicová a satelitní technika
Pokud má pikosatelit fungovat nezávisle na své poloze, musí mít akumulátory pro napájení během letu ve stínu Země. Pro akumulátory je paluba pikosatelitu na nízké oběžné dráze Země nehostinné prostředí z hlediska teplot a rychlého střídání nabíjení a vybíjení akumulátorů. Po třicetiminutovém letu ve stínu Země, kdy většina subsystémů přešla do klidového režimu, může být celý pikosatelit včetně akumulátorů promrzlý a zahájení nabíjení v tomto stavu může akumulátor definitivně zničit. Pokud se některý z energeticky náročných subsystémů nepodaří při letu ve stínu deaktivovat, může rovněž dojít k hlubokému vybití akumulátorů s jejich poškozením. Navíc během jednoho pozemského dne může pikosatelit na nízké dráze vykonat šestnáct oběhů Země, představující pro akumulátory šestnáct cyklů nabíjení a vybíjení. S počtem těchto cyklů běžné akumulátory rychle stárnou a po několika stech cyklech mohou vykazovat výrazně nižší kapacitu a vyšší vnitřní impedanci než při zahájení mise.
Akumulátory v pikosatelitech
Ve většině pikosatelitů typu CubeSat se kvůli nízké hmotnosti a dobré dostupnosti používají běžné Li-Ion nebo Li-Pol akumulátory. Jejich napětí umožňuje jednoduché propojení s dvojicí sériově zapojených solárních článků pro nouzové dobití při počátečním zahájení provozu pikosatelitu bez asistence inteligentních řídících subsystémů. Pro dobrou skladnost se často používá ploché provedení akumulátorů (např. z mobilního telefonu), ačkoliv toto není ideální řešení z hlediska odolnosti proti účinkům vnějšího vakua. Takovéto akumulátory mají tendenci se nafukovat vlivem vnitřního přetlaku proti vnějšímu vakuu, zejména při intenzivním vybíjení nebo nabíjení. Lepší z tohoto hlediska jsou válcová provedení akumulátorů, které preferují firmy dodávající hotové technologie pro pikosatelity CubeSat.
Ať plochá nebo válcová provedení akumulátorů, během jednoho roku činnosti projdou více než 5000 cykly nabití a vybití, což by znamenalo při plném vybíjení jejich kapacity naprostou degradaci jejich vlastností. Obdobně se chovají naše mobilní telefony. Pokud bychom je nabíjeli každé čtyři dny, budou mít za rok zhruba 90 cyklů nabití a vybití a po třech letech činnosti již akumulátor v telefonu vydrží bez nabíječky velmi krátce, protože ztratí svoji kapacitu a naroste mu vnitřní impedance snižující výstupní napětí při proudovém zatížení. Z tohoto důvodu musí být akumulátory v pikosatelitu naddimenzovány, aby se vybíjely pouze o zlomek své nominální kapacity. Můžeme mít například spočítáno, že pro napájení nezbytných subsystémů během letu ve stínu by postačoval akumulátor s kapacitou 200 mAh, použije se ale akumulátor s kapacitou 2000 mAh. Ten pak bude vybíjen pouze o 10 % své kapacity a značně se mu prodlouží životnost z hlediska počtu cyklů nabití a vybití. Ještě lepší řešení je použít dvojici těchto akumulátorů a průběžně je v činnosti střídat tak, aby se snížil počet cyklů na polovinu.
Jako primární zásobníky elektrické energie v našem pikosatelitu PilsenCube používáme moderní LiFePO4 akumulátory, které oproti konvenčním Li-Ion akumulátorům vykazují vyšší životnost a menší závislost parametrů na teplotě. Ovšem i při naddimenzování kapacity akumulátorů dojde k jejich zestárnutí během dvou až tří let provozu pikosatelitu a ten potom při letu ve stínu Země by nebyl schopen plnit všechny své úkoly. Inovativním řešením, které používáme v projektu pikosatelitu PilsenCube, je využití superkapacitorů (součástka s nanouhlíkovými částicemi podobná kondenzátoru) jako sekundárních zásobníků elektrické energie. Použití superkapacitorů se na první pohled zdá nerozumné neboť mají desetkrát vyšší hmotnost než akumulátory, pokud bychom do nich chtěli uskladnit stejné množství energie. Nicméně jejich předností je extrémně dlouhá životnost (přibližně 10000x delší) v porovnání s akumulátory při obdobné degradaci vlastností a možnost bezpečně je přebíjet na vyšší napětí při zrychleném stárnutí.
Ve výsledku superkapacitory nejsou tak nevýhodné, protože akumulátory svojí hmotností výhodu ztrácí naddimenzováním a zdvojením pro zpomalení jejich stárnutí. Navíc, pokud superkapacitory nabijeme na koncové napětí o 15 % vyšší než je nominální hodnota, zvýší se množství uskladněné energie o 32 % (narůstá s kvadrátem napětí) a to při stále vyšší životnosti oproti akumulátorům. Další výhodnou vlastností superkapacitorů je jejich minimální závislost na teplotě, kdy jsou schopné spolehlivě pracovat i promrzlé.
Výzkum a vývoj technologie spolehlivých pikosatelitů byl v letech 2009 až 2011 podporován Grantovou agenturou České republiky v rámci projektu "Energeticky úsporná platforma pro experimentální výzkum na bázi pikosatelitů" pod registračním číslem 102/09/0455. Projekt má vlastní webové stránky: www.pilsencube.zcu.cz
