Estudio de la energía nuclear como fuente de energía alternativa en satélites aplicando el efecto SPDC

Abstract

Actualmente la fuente primaria de energía de un satélite es el Sol, la radiación solar es transformada en electricidad por medio de las celdas solares, sin embargo, estas celdas presentan una gran desventaja ya que su factor de eficiencia en la conversión de radiación solar a energía eléctrica es muy bajo. Años atrás era del orden del 8%, ahora se utilizan celdas con una tecnología mejor, que brindan factores de eficiencia del 15 al 41%, por lo tanto, esta eficiencia sigue siendo muy baja. (Castro Avellaneda Javier, 2016) Según su tamaño las misiones espaciales como sondas o satélites pueden ser a pequeña o a gran escala. Por ejemplo, la estación espacial internacional o ISS por sus siglas en inglés, es un satélite a gran escala (con unas dimensiones de 110 m x 100 m x 30 m aproximadamente) como se muestra en la Figura 1. Esta estación tiene como finalidad albergar astronautas que se dedicarán a investigación, y al igual que los satélites o sondas enviados al espacio, usan como fuente de energía el Sol. En este caso para cubrir los requisitos energéticos de esta estación en particular se requieren paneles solares con una superficie de 375 m2, orientados de tal manera que la potencia generada es de 89 kilovatios. (Manuel, 2010)A pesar de los avances en la tecnología satelital las misiones requieren cierta cantidad de potencia para recolectar y enviar la información obtenida y adicionalmente conservarla para seguir funcionando. Esta potencia se obtiene de la radiación solar y aunque las celdas solares han avanzado considerablemente en tecnología, siguen presentando el mismo inconveniente, es decir, cuando no se tiene radiación solar, los paneles no abastecen eléctricamente al satélite y por tanto se debe hacer uso de otro recurso con tal de seguir funcionando. Por otro lado, debido a las recientes investigaciones se han abierto las posibilidades de mejora de los módulos de potencia de los satélites, conocidos como Sistema de Potencia Eléctrica o por sus siglas en inglés EPS (Electric Power System). Este sistema es el encargado de proporcionar la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del CubeSat (satélites pequeños cuyas medidas se encuentran entre los 10 x 10 x 10 cm3 y los 10 x 10 x 30 cm3 Figura 21). (Castro Avellaneda Javier, 2016).Estas mejoras en EPS han cambiado significativamente la carrera espacial, pero aún se tiene un inconveniente en la alimentación energética del satélite, debido a los tiempos de sombra en los que se debe mantener el funcionamiento de la misión, donde el Sol como única fuente de energía no alcanza a irradiar al satélite, razón por la cual en este trabajo se plantea una posibilidad de cambiar o emplear una fuente de energía alternativa a la solar. El cambio propuesto como fuente alternativa es la energía nuclear. En este caso en particular está provendrá de material nuclear radioactivo ya que sin importar el lugar en el que se encuentre el satélite tendrá la energía necesaria para continuar con la misión. Este trabajo se divide en el análisis de cuatro partes, todas ellas con el fin de abordar de manera teórica un cambio de abastecimiento energético: La primera parte, como ya se mencionó, es el cambio de energía solar a nuclear, en la segunda parte se encontrará un cristal de centelleo que permitirá que los fotones altamente energéticos provenientes del material nuclear disminuyan su nivel de energía. La tercera parte es aumentar la posibilidad de abastecimiento energético realizando una división de fotones, provenientes del cristal de centelleo. Este método se conoce como el Efecto SPDC (por sus siglas en inglés spontaneous parametric down conversion). Con estos tres procesos se está permitiendo que el fotón que se emite del material nuclear tenga mayor posibilidad de interactuar con el panel fotovoltaico permitiendo así alimentar el satélite, siendo el panel fotovoltaico la cuarta parte del proceso.