Modelling and simulation of Rosetta lander Philae solar arrays

Rosetta’s space mission has almost the greatest role in scientific exploration of deep space only counting on photovoltaic powering systems: this is a hard challenge since deep space provides environmental conditions of really low solar irradiation. This means that every single instrument must be studied perfectly to work along with the others counting on a small power source, and also that every action is devoted to power saving: it’s a matter of scientific and economic fail a bad prevision of power possibilities that prevents instruments from working and consequently causes no scientific and economic investment return. The aim of this work is to set out a model with the goal of power generation prediction in order to overcome problems of instruments power usage. Having received input information such as cell’s shadowing, temperature, Sun distance, equivalent radiation dose and so on, the code is able to compute and display each cell’s IV curve, each string’s IV curve, ad global array’s IV curve in order to compute the power production of Rosetta’s Philae Lander. A second target of this work is a qualitative and comparative analysis of experimental IV curves of Politecnico’s system.

In un’ottica moderna di salvaguardia ambientale e sociale, il ricorso a fonti rinnovabili di energia ha conquistato, e sta tuttora conquistando, un’attenzione sempre maggiore e diversificata tra le fonti stesse. In ambito spaziale questo è un discorso nondimeno attuale e sensibile, siccome vecchi sistemi di alimentazione nucleari per sonde o moduli spaziali, in missioni più spinte di un semplice orbitaggio terrestre, vengono lentamente affiancati da sistemi caratterizzati da minori rischi ambientali e sociali: inquinamento radioattivo nei processi di lavorazione e smaltimento residui, difficoltà e pericolosità nei trasporti e rischi di proliferazioni terroristiche stanno, oggigiorno, portando i sistemi ad alimentazioni nucleare ad essere comparati con sistemi meno problematici ma parimenti affidabili come il fotovoltaico. La missione spaziale Rosetta ha forse il più grande ruolo nell’ambito delle attuali esplorazioni scientifiche dello spazio profondo, contando solo su sistemi di generazione della potenza elettrica di tipo fotovoltaico: questa è un ardua sfida in virtù del fatto che lo spazio profondo è caratterizzato da condizioni ambientali di bassissima irradiazione solare. In aggiunta, ma non meno importanti, le temperature estremamente basse e la mancanza di uno scudo magnetico contro le particelle energetiche sono condizioni estremamente severe nell’ambito della produzione di potenza da fotovoltaico. La prima, sebbene aumenti il rendimento delle celle stesse, comporta problematiche a livello di tenuta dei materiali, mentre la seconda è po’ più complessa ma ugualmente proibitiva: nello spazio profondo non c’è possibilità di usufruire di scudi magnetici esterni, mentre l’effetto fotovoltaico stesso è relazionato alla struttura microscopica dei materiali, che viene danneggiata da dosi crescenti di radiazione ionizzante, riducendo continuamente le prestazioni del sistema. L’obiettivo di questo lavoro è quello di elaborare un modello per predire la potenza generata dall’array solare di Philae, al fine di superare i problemi di utilizzo della stessa da parte degli strumenti. Una volta ricevuti precisi input, quali l’ombreggiamento e la temperatura di cella, la distanza dal Sole, la dose equivalente di radiazioni, sporcamento da polvere, effetto rifrattivo dei cover-glass, il codice è in grado di calcolare e tracciare le curve I-V e P-V di ogni cella, di ogni stringa e di ogni array nel suo complesso. Pertanto, il punto di svolta di questo lavoro è insito nella capacità di modellazione a livello di cella, aggiungendo l’effetto particolarmente sensibile operato dall’ombreggiamento su ogni singolo elemento fotovoltaico, e infine la simulazione degli MPPT, condotta tramite l’uso di opportune tabelle riassuntive delle varie condizioni operative. Un obbiettivo secondario, ma solo per ordine di trattazione, è l’analisi qualitativa e comparativa dei sistemi in dotazione al Politecnico al fine di validare la logica globale con cui è stato modellato l’array di Philae: i diversi grafici riportano l’analisi comparativa tra risultati sperimentali ottenuti direttamente dai moduli, e previsioni computazionali basate sul modello elaborato. Infine, sono state generate 6 tabelle per l’uso in un particolare programma per il calcolo della posizione e opportuna rotazione di Philae, a partire da un’analisi comparativa tra correnti di telemetria e quelle in uscita dagli MPPT e calcolate con il modello presentato e riassunte nelle 6 tabelle. Tale lavoro è preceduto da una breve introduzione sulla missione spaziale Rosetta e il ruolo di Philae, e altresì un inquadramento sulle condizioni ambientali operative durante questa missione, in modo da rendere ragione qualitativamente agli effetti di temperatura e irraggiamento che verranno considerati successivamente in termini più quantitativi. Particolare attenzione è posta sulle caratteristiche della radiazione propria dei vari ambienti in cui Philae sarà costretta a trovarsi: la radiazione ionizzante con alti livelli di energia è il principale motivo di decadimento delle prestazioni delle giunzioni P-N in virtù del loro effetto modificante sulla struttura atomica dei materiali stessi, compromettendo in parte le strutture deputate all’interazione fotonica per estrazione di energia ai fini fotovoltaici. A seguito di tale introduzione, seguirà una breve ma esaustiva descrizione della fisica e della tecnica alla base dello sfruttamento dell’effetto fotovoltaico, in modo da delineare tutti gli aspetti che stanno alla base della scelta delle equazioni del modello, degli effetti delle diverse variabili operative, con particolare attenzione all’ombreggiamento. È di fondamentale importanza conteggiare tutti gli effetti ambientali propriamente detti, quali irraggiamento, danno da radiazione ionizzante e temperatura, ma è altresì necessario porre attenzione su quegli effetti, sempre ambientali, ma connessi più alla struttura del sistema e agli eventi più macroscopici quali variazione degli angoli di incidenza per effetto dei cover-glass, sporcamento da polvere e soprattutto ombreggiamento. Tale ultimo fattore incide in maniera preponderante sulle possibilità di generazione della potenza, e sul suo consumo da parte di elementi oscurati che lavorano in concomitanza con elementi illuminati: gradi e incavi, rispettivamente nei diagrammi I-V e P-V, visualizzano tali effetti. Tutto ciò che riportato nel terzo capitolo, in un ottica di parametri e modalità di costruzione e settaggio del modello e di previsione dei risultati delle stesso. Nel quarto capitolo i risultati del codice esemplificano gli effetti finali di tutte le variabili ambientali considerate, mostrando, peraltro, alcune limitazioni nell’attuale approccio alla modellazione degli MPPT stessi tramite le creazione di tabelle rappresentative delle sole condizioni di illuminazione completa. Altresì, le estensioni e le locazioni stesse dei gradini sono in ottima accordo con quanto prospettato nel capitolo 3, e anzi viene mostrata la condizione limite per l’operatività dei singoli moduli, relativamente al caso peggiore analizzando la capacità di resistenza all’ombreggiamento del Solar Array più grande e quindi più affidabile. La sola capacità di previsione senza riscontro diretto su valori sperimentali non è stata reputata comunque sufficiente per la valutazione della bontà del modello adottato: nel quinto capitolo il modello viene leggermente rivisitato sulla parte di scelta delle equazioni per modellare le celle in modo dipendente dalle loro caratteristiche, per poter prevedere la generazione di potenza del array solar in dotazione al Solar Tech Lab del Politecnico di Milano. Le curve generate computazionalmente sono direttamente confrontate con quelle sperimentali tramite sovrapposizione delle stesse: locazione ed estensione dei gradini, connessi agli effetti di ombreggiamento, rivelano un ottimo accordo tra i due risultati. Infine si è scelto di generare un set di tabelle per le varie condizioni operative dal punto di vista temporale e spaziale sulla cometa stessa: per ogni angolo azimutale e quindi zenitale vengono salvate tutte le correnti in uscita dagli MPPT per ogni SA, e ripetuto poi un intervallo discreto di temperature. Questo lavoro è connesso all’utilizzo futuro in un software precedentemente sviluppato in un altro lavoro di tesi, finalizzato a calcolare la posizione di atterraggio del Lander rispettivamente al Sole, in modo da evidenziare la corretta ri-orientazione del modulo stesso per disporlo nelle migliori condizioni di illuminazione possibili e generare la massima potenza per effetto fotovoltaico prima del definitivo ancoraggio alla cometa stessa.