Painéis solares espaciais: como são dobrados, quanto geram e o que já deu errado
Painéis solares espaciais precisam caber dobrados no nariz de um foguete e abrir sozinhos em órbita até ficarem dezenas de vezes maiores. Cada uma das oito asas solares originais da Estação Espacial Internacional mede cerca de 35 por 12 metros aberta, e viajou com as mantas de células dobradas em sanfona e comprimidas a 1,5% do comprimento final, dentro de caixas. O projeto desses sistemas é uma disputa entre área, massa e confiabilidade: o painel tem de gerar muita energia por quilo e abrir de primeira, porque não há quem conserte na maioria das missões.
Este artigo explica quanta energia o Sol entrega no espaço, as três formas de dobrar um painel, a conta da massa e o que deu errado em casos reais.
Quanta energia o Sol entrega no espaço
Na distância da Terra, fora da atmosfera, a luz do Sol chega com cerca de 1.361 W por metro quadrado, a chamada constante solar, segundo o centro Goddard da NASA. Esse valor cai com o quadrado da distância ao Sol:
I = 1.361 / d²
com d em unidades astronômicas, a distância média Terra-Sol.
- Marte, a 1,52 UA: 1.361 / 1,52² ≈ 589 W/m², 43% do valor da Terra;
- Júpiter, a 5,2 UA: 1.361 / 5,2² ≈ 50 W/m², menos de 4%.
A sonda Juno, que chegou a Júpiter em 2016, mostra a conta na prática. Ela tem três asas de cerca de 9 por 2,65 metros, com 18.698 células e mais de 60 m² no total; perto da Terra, gerava cerca de 14 kW, e em Júpiter gera cerca de 400 W, segundo a ficha da missão no JPL, ou 500 W, segundo outro texto do JPL. A queda para 3% a 4% fica próxima dos 3,7% previstos pelo inverso do quadrado. Na Terra, a atmosfera ainda tira uma parte: ao meio-dia de céu limpo chegam cerca de 1.000 W/m², como explica o artigo sobre o que é energia solar.
A conta de uma asa da Estação Espacial
Cada asa da estação tem 12 por 35 m e gerava cerca de 32 kW no início da vida útil, segundo um relatório técnico da NASA sobre o projeto da estação Freedom, que deu origem às asas da estação atual. A luz que bate nessa área é 420 m² × 1.361 W/m² ≈ 572 kW. Logo, a asa converte cerca de 32 / 572 ≈ 5,6% da luz que atinge o retângulo inteiro. O número é baixo porque a área do retângulo inclui o mastro central e o espaço entre as duas mantas, e porque as células de silício da época tinham eficiência bem menor que as de arseneto de gálio usadas hoje em satélites. A fábrica, a Lockheed Martin, informa 262.400 células nas oito asas, segundo o comunicado da empresa. Como a eficiência de um painel se calcula está no artigo sobre eficiência de painéis solares.
As três formas de dobrar um painel
| Arquitetura | Como guarda | Como abre | Exemplo |
|---|---|---|---|
| Manta em sanfona | células em manta flexível, dobrada como um leque dentro de uma caixa | um mastro treliçado, guardado enrolado num cilindro, se estende e estica a manta | asas originais da Estação Espacial |
| Painéis rígidos com dobradiças | placas rígidas empilhadas contra o corpo do satélite | molas e motores giram as dobradiças | Juno; painéis do Hubble desde 2002 |
| Manta enrolada | manta enrolada num cilindro, como um tapete | hastes enroladas junto com a manta se estendem e a esticam (de aço no Hubble original; de compósito, pela energia elástica guardada, no iROSA) | painéis originais do Hubble; iROSA da Estação Espacial |
Nas asas da estação, a manta de cada lado tem 84 painéis (82 com células e dois de enchimento) e fica numa caixa de favo de alumínio; o mastro que a estende sai de um cilindro onde estava enrolado em espiral, segundo um relatório de projeto da NASA.
Há ainda dobras de origami. A dobra Miura, criada pelo astrofísico japonês Koryo Miura, permite abrir uma folha inteira num só movimento, puxando pelas pontas opostas, e foi usada num painel experimental aberto em 1996 no satélite japonês SFU, segundo a Wikipédia. O SFU foi lançado em março de 1995, e a agência japonesa lista o experimento de painel solar bidimensional entre as suas cargas, segundo a JAXA.
A conta da massa
No espaço, o que pesa é o quilo lançado, e a medida de um painel é a potência específica, em watts por quilo. Um quadro de metas da NASA põe o estado da arte dos grandes painéis de satélites geoestacionários em cerca de 60 W/kg e a meta das mantas flexíveis acima de 100 W/kg, segundo uma apresentação do centro Glenn da NASA, de 2014.
- painel de 20 kW a 60 W/kg: 20.000 / 60 ≈ 333 kg;
- o mesmo painel a 100 W/kg: 200 kg, 133 kg a menos para lançar;
- conferência: cada iROSA gera mais de 20 kW, segundo a NASA, e o conjunto pronto para instalar pesa cerca de 340 kg, segundo a collectSPACE, o que dá perto de 60 W/kg contando suportes e mecanismos.
Além da massa, o volume dentro da coifa do foguete também conta, e é ali que a manta enrolada ganha: o mesmo quadro da NASA cita 10 kW por metro cúbico guardado no estado da arte e meta acima de 40 kW/m³.
O iROSA: painel novo sobre o velho
Depois de duas décadas de radiação e ciclos térmicos, as asas originais perderam rendimento. A solução foi instalar mantas enroladas novas, os iROSA, sobre as antigas. Cada uma mede 18,2 por 6 metros e gera mais de 20 kW, e o conjunto dá cerca de 30% a mais de energia, segundo o blog da Estação Espacial da NASA. Com todos instalados, a estação passa a ter até 215 kW, segundo a NASA. A primeira foi aberta em 2021: o rolo de 6 metros se desenrolou em poucos minutos sem motor, empurrado pelas hastes de compósito, segundo a collectSPACE. A tecnologia tinha sido testada na própria estação em 2017, com uma asa de 5,4 por 1,67 metro, segundo um relatório da NASA. A engenharia da estação inteira está no artigo sobre a Estação Espacial Internacional.
O que deu errado
- Hubble, 1990: os painéis enrolados originais, de fabricação europeia, se deformavam ao passar da sombra da Terra para o Sol e de volta, e esse tremor atrapalhava o apontamento do telescópio. A primeira missão de manutenção, em dezembro de 1993, trocou os painéis, segundo a NASA. Em 2002 vieram painéis rígidos de arseneto de gálio, de 7,1 por 2,6 metros, um terço menores e com 20% mais potência, segundo a página do Hubble.
- Estação Espacial, 2007: ao reabrir uma asa que tinha sido recolhida para mudar de posição, a manta rasgou cerca de 60 cm. Na missão STS-120, o astronauta Scott Parazynski, na ponta de um braço robótico, prendeu cinco travas improvisadas com tiras de alumínio, que a tripulação chamou de abotoaduras, segundo o blog da NASA.
Nos dois casos, as células funcionavam, e a falha veio da estrutura que dobra, abre e muda de temperatura a cada volta. Na órbita da estação, uma volta leva cerca de 90 minutos, o que dá umas 16 passagens do Sol para a sombra por dia, e cada uma aquece e esfria o material. A proteção contra essas variações é assunto do artigo sobre isolamento térmico de espaçonaves.
E no Brasil
O satélite Amazonia-1, lançado em 2021, tem painéis solares com estrutura e mecanismo de abertura feitos pela empresa brasileira Cenic Engenharia, segundo a Pesquisa FAPESP. Satélites como ele dependem do painel aberto para manter os equipamentos ligados, incluindo o rádio e os receptores de posição, cujo funcionamento está no artigo sobre navegação por satélite.
Perguntas frequentes
Por que os painéis solares de satélites são dobráveis?
Porque precisam caber na coifa do foguete. Abertos, chegam a dezenas de metros; dobrados, as mantas da Estação Espacial ocupavam 1,5% do comprimento final.
Quanto um painel solar gera no espaço?
Fora da atmosfera, perto da Terra, o Sol entrega cerca de 1.361 W/m². Uma asa da Estação Espacial, com 420 m², gerava cerca de 32 kW no início da vida útil.
Painel solar funciona longe do Sol?
Funciona com menos energia, que cai com o quadrado da distância. Em Júpiter chega cerca de 4% da luz que chega à Terra, e a sonda Juno precisa de mais de 60 m² de painéis para gerar de 400 a 500 W.
O que é o iROSA?
É o painel enrolado instalado sobre as asas antigas da Estação Espacial a partir de 2021. Cada um gera mais de 20 kW e abre sem motor, pela energia guardada nas hastes de compósito.
Painel solar espacial pode quebrar?
Pode. O Hubble trocou os painéis originais em 1993 por causa de tremores térmicos, e uma asa da Estação Espacial rasgou ao ser reaberta em 2007 e foi consertada numa caminhada espacial.
Um painel solar espacial é projetado de trás para frente: parte da energia que a missão precisa, divide pela luz disponível na órbita para achar a área e só então escolhe como dobrar essa área no volume e na massa do foguete. Diante de qualquer notícia de painel novo, a pergunta que mede o avanço é quantos watts ele entrega por quilo lançado.
Imagem de destaque: A Estação Espacial Internacional em órbita, com as asas de painéis solares abertas. Foto: NASA / Wikimedia Commons, domínio público.
