El Departamento de Energía Solar (DES) de la Comisión Nacional de Energía Atómica desarrolló la primera celda solar nacional de uso espacial con superconductores III-V en las instalaciones del Centro Atómico Constituyentes (CAC).
En el espacio, los satélites artificiales dependen de paneles solares para generar la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de su instrumental. Estos paneles y sus componentes deben ser estables en el tiempo y tienen que resistir la radiación, porque es fundamental que se mantengan operativos mientras dure la misión. En la Argentina, la única que los fabrica es la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), que ahora avanzó un paso más: desarrolló la primera celda solar nacional de uso espacial con semiconductores III-IV.
La CNEA fabrica paneles solares para satélites artificiales desde 1995. A través de su Departamento de Energía Solar (DES), hizo los de los satélites SAC-A, Aquarius-SAC D y SAOCOM 1A y 1B, lanzados entre 1998 y 2020. También los del SABIA-Mar 1, que será puesto en órbita en 2024. Para construirlos, se utilizaron celdas comerciales. Pero el nuevo proyecto apunta a que la CNEA pueda autoabastecerse de este insumo clave para los paneles con los que ofrece apoyo a las misiones de la Comisión Nacional de Actividades Espaciales.
“En el ámbito de investigación y desarrollo, en el país se estudian celdas solares de distintos materiales. En nuestro departamento se estudian y fabrican desde hace tiempo celdas solares de silicio y se han investigado también otros materiales. Para las misiones satelitales argentinas se compran las celdas y luego se integran pegando un vidrio frontal protector y soldando los interconectores que conectan eléctricamente los dispositivos entre sí para formar el panel. Ahora el gran avance es que logramos fabricar íntegramente en la CNEA nuestras propias celdas espaciales con un semiconductor III-V, como el arseniuro de galio”, cuenta la física e investigadora del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (CNEA-CONICET) Marcela Barrera, del DES.
Este desarrollo forma parte de la tesis “Elaboración, caracterización, simulación numérica y ensayo de celdas solares basadas en semiconductores III-V”, del doctorando Simón Saint André (Doctorado en Ciencia y Tecnología – mención Física del Instituto Sabato).
Las celdas solares generan electricidad a partir de la luz del sol y pueden tener aplicaciones terrestres o espaciales. “Para las espaciales deben cumplir requisitos como la alta eficiencia, para proveer potencia a todos los instrumentos del satélite donde están instaladas, y resistencia al daño por radiación, dado que en el ambiente espacial hay partículas cargadas que pueden dañarlas. Además, no deben degradarse por otros factores y tienen que ser estables en el tiempo”, detalla Barrera.
Los semiconductores III-V (ubicados en las columnas III y V de la Tabla Periódica de Elementos) reúnen todas esas características. Uno de ellos es el arseniuro de galio, un compuesto de galio y arsénico que es también utilizado para fabricar circuitos integrados, diodos de emisión infrarroja y otros dispositivos nano y micro electrónicos.
La fabricación comienza a partir de la compra de la oblea de arseniuro de galio sobre la que se depositan las capas de los materiales que forman el diodo, es decir, un dispositivo electrónico de dos electrodos por el que circula la corriente en un solo sentido.
“La fabricación de estas celdas basadas en semiconductores III-V es muy compleja. En nuestro país, el único equipo operativo para hacerlo es el que posee el Grupo de Dispositivos y Sensores del Centro Atómico Bariloche, a cargo de Hernán Pastoriza. Leandro Tosi, Leonardo Salazar y Ayelén Prado han colaborado en la fabricación de los dispositivos, partiendo de la oblea semiconductora. La fabricación del depósito de los contactos eléctricos fue realizada en la Sala Limpia del Centro Atómico Constituyentes, con colaboración de miembros del Departamento de Micro y Nano Tecnología”, dice Barrera.
El resultado del trabajo en equipo se refleja en los primeros prototipos de estas celdas solares espaciales, que miden un centímetro cuadrado. “Les hicimos mediciones eléctricas y funcionan, se comportan como una celda solar. Ahora buscamos introducir mejoras en el proceso de fabricación para optimizar sus parámetros eléctricos”, anticipa Barrera.
Los paneles solares que fabrica la CNEA para uso espacial
El Departamento de Energía Solar de la CNEA realiza la integración eléctrica de los paneles solares que se usan en las misiones espaciales argentinas a partir de un acuerdo de cooperación firmado con la CONAE en 1995. La tarea se lleva a cabo en una sala limpia de 180 m2, libre de polvo y con temperatura y humedad de ambiente controladas. Este laboratorio cuenta con un sistema de provisión de gases especiales, como nitrógeno de alta pureza; líneas de vacío, aire comprimido, agua para refrigeración de los sistemas, y dos simuladores solares (soles artificiales) para la medición de celdas y paneles en condiciones terrestres y espaciales.
Una pequeña muestra de las celdas destinadas al uso en el espacio también es sometida a pruebas de daño de radiación para conocer cómo se desempeñan en ambientes hostiles y cuánto se degradan. Para esto se utiliza una línea de irradiación EDRA (Ensayos de Daño por Radiación y Ambiente) instalada en el acelerador de iones pesados Tandar del CAC.
“La única fuente de energía que tiene un satélite en el espacio es el sol. El subsistema de potencia cuenta además con una batería que almacena energía para usarla cuando el satélite pasa por detrás de la sombra que proyecta la tierra”, explica Hernán Socolovsky, jefe del Departamento de Energía Solar de la CNEA.
El satélite experimental argentino SAC-A, que fue lanzado por la NASA el 4 de diciembre de 1998 y estuvo activo 8 meses, fue el primero en contar con un panel solar desarrollado por CNEA. Después el organismo desarrolló los paneles de la misión Aquarius/SAC-D, un satélite que fue puesto en órbita el 10 de junio de 2011 con un instrumento muy sensible de la NASA que medía la salinidad del mar. Su misión duró cuatro años.
El DES también proveyó los paneles solares de los satélites de observación terrestre argentinos SAOCOM, puestos en órbita entre 2018 y 2020. Sus objetivos son la medición de la humedad del suelo y, entre otras aplicaciones en caso de emergencias, detectar derrames de hidrocarburos en el mar y monitorear cuando se producen inundaciones.
Recientemente, la CNEA desarrolló los paneles solares para el SABIA-Mar 1 (Satélite de Aplicaciones Basadas en la Información Ambiental del Mar), que será lanzado el año próximo para estudiar el mar y las costas. Se trata de cuatro paneles que suman 9 metros cuadrados de superficie. El satélite, fabricado por INVAP, actualmente está siendo sometido a una revisión crítica de diseño en el Centro Espacial Teófilo Tabanera de la CONAE, ubicado en Córdoba. Su puesta en órbita está prevista para 2024.
Por otra parte, la CNEA desarrolla sensores solares de posición, que le permiten al satélite saber exactamente su orientación con respecto a los rayos del sol. Y desde 2012, también provee paneles solares para satélites de muy pequeñas dimensiones o nanosatélites de empresas privadas, como Satellogic e Innova Space.
