Il robot FRIEND è dotato, oltre alla strumentazione elettronica di bordo, di servomotori per il movimento dei bracci laterali e del braccio di docking; attualmente, in campo spaziale,sono utilizzati servomotori brushless a corrente continua con tensione nominale di 24V: è quindi necessario fornire alimentazione in corrente continua a bassa tensione a tutte le apparecchiature del robot.
Per la produzione di energia elettrica sul robot FRIEND si può fare affidamento su tre differenti tecnologie: i generatori nucleari (pile atomiche) , i pannelli solari e le batterie ricaricabili.
A grandi distanze dal Sole, dove i pannelli solari sarebbero insufficienti, i generatori nucleari costituiscono l'unica fonte di energia effettivamente utilizzabile. Le due sonde Voyager e la sonda Galileo utilizzano questa tecnologia per alimentare i loro strumenti di bordo.
In particolare, la sonda Galileo impiega due Generatori Termoelettrici a Radioisotopi (RTGs). I generatori RTG forniscono energia attraverso il decadimento radioattivo del plutonio 238.Questo fenomeno produce calore,successivamente convertito in elettricità.Questa fonte di energia elettrica è affidabile, estremamente duratura nel tempo, insensibile al freddo spaziale e virtualmente invulnerabile ai grandi campi magnetici, come le fasce di Van Allen terrestri.
Generatore termoelettrico a radioisotopi
Un RTG è composto da due parti: una fonte di calore e un sistema per la conversione del calore in elettricità.La fonte di calore contiene un radioisotopo, il plutonio 238, che diventa fisicamente caldo a causa del proprio decadimento radioattivo.Il calore è trasformato in elettricità da un convertitore termoelettrico che sfrutta l'effetto Seebeck, un principio base della termoelettricità scoperto nel 1822.Una forza elettromotrice (voltaggio) è prodotta dalla diffusione di elettroni attraverso l'unione di due differenti materiali (metalli o semiconduttori) che formano un circuito quando i capi del convertitore si trovano a temperature differenti.Ogni RTG contiene 18 moduli separati , ognuno dei quali include 4 barre di plutonio 238. I moduli sono progettati per resistere ad ogni possibile eventualità : esplosione o incendio del veicolo di lancio, rientro in atmosfera seguito da impatto sul terreno o in acqua, e situazioni seguenti all'impatto.Uno schermo esterno in grafite provvede alla protezione contro i danni strutturali,termici e corrosivi di un potenziale rientro; inoltre, il combustibile è in forma di biossido di plutonio 238, un materiale ceramico resistente alla rottura.
I generatori RTG sono progettati accuratamente e intensamente testati; da anni sono utilizzati in modo sicuro nel campo dell'esplorazione planetaria.Tuttavia, in seguito all'incidente dello Shuttle Challenger,avvenuto alcuni anni fa, venne considerata la possibilità di applicare uno schermo aggiuntivo al generatore; ma anche se questo potrebbe garantire protezione nelle vicinanze della zona di lancio, la sua notevole complessità aumenta i rischi di una missione. In caso di avaria, uno schermo aggiuntivo potrebbe aumentare in maniera significativa le conseguenze di un impatto con il suolo.
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Applicazioni dei pannelli solari in campo spaziale
I pannelli solari, durante i periodi di esposizione alla luce, convertono direttamente l'energia solare in energia elettrica ; su sonde e satelliti si impiegano solitamente due o quattro pannelli , orientati individualmente rispetto al sole da un sottosistema di controllo.
Attualmente vengono impiegate celle fotovoltaiche all' arseniuro di Gallio (Ga As) che , rispetto alle tradizionali celle al silicio, consentono di ridurre la superficie delle celle stesse del 20% e dei costi del 40% a parità di prestazioni.
Su un veicolo spaziale, i pannelli solari sono affiancati da un sistema di batterie, in grado di erogare energia durante i periodi di eclisse (assenza di luce solare). Esistono numerosi tipi di batterie, ma solo alcuni sono adatti all'impiego in ambito spaziale.
Batterie ricaricabili
Il robot FRIEND, orbitando attorno alla Terra insieme alla stazione spaziale ISS, sarebbe sottoposto a circa 5800 eclissi all'anno, e comunque da 90 a 5800 a seconda della quota dell'orbita. Durante i periodi di eclisse, l'energia elettrica deve essere erogata dalle batterie, ricaricabili dai pannelli solari quando il robot torna ad essere esposto alla luce solare; inoltre, vi sono situazioni nelle quali le batterie possono essere utilizzate per assicurare dei picchi di potenza, anche nei periodi di luce.
Batterie Nickel Idrogeno
Al contrario dei satelliti artificiali, progettati in funzione di un ciclo vitale di soli uno o due anni, un robot come FRIEND deve essere progettato con un obbiettivo di durata pari ad almeno 4-6 anni , data l'estrema importanza delle missioni ad esso affidate. Per questo motivo, le batterie a bordo devono sopportare da 1000 a 33000 cicli di carica/scarica senza guasti e senza la necessità di alcun tipo di manutenzione.Queste esigenze, notevolmente superiori a quelle richieste dalla maggior parte delle applicazioni terrestri, hanno indotto ad utilizzare in ambito spaziale batterie con tecnologie al Nickel Cadmio ( NiCd ) e al Nickel Idrogeno ( NiH2 ).
Lo svantaggio principale delle batterie è dato dalla loro massa; nel caso di un generico veicolo spaziale, esse costituiscono il 15% della massa totale a secco.
Massa a secco di un veicolo spaziale
Sicuramente, un risparmio di massa sul robot FRIEND può essere utile a ridurne le inerzie con possibili incrementi di autonomia, dato che i motori assorbirebbero meno energia nei transitori di funzionamento; una massa minore riduce anche i costi da sostenere per il lancio in orbita . Le batterie al Nickel Idrogeno, utilizzate anche sulla stazione spaziale ISS, hanno soppiantato nel tempo le batterie al Nickel Cadmio proprio per la loro minore massa, nonostante i costi maggiori e un maggior volume occupato.
Batterie al Litio
La tecnologia degli accumulatori al Litio, attualmente in forte sviluppo, sembra destinata a rivoluzionare il campo delle batterie per lo spazio. I suoi sviluppi interessano gli accumulatori al Litio Carbonio e al Litio Polimeri :
Le batterie al Litio vengono impiegate prevalentemente su satelliti per telecomunicazioni o veicoli spaziali di piccole dimensioni, come la AERCam Sprint e la Nanorover, a causa della scarsa durata di una carica e al breve ciclo vitale di queste batterie.
Soluzioni alternative
La NASA sta perfezionando soluzioni innovative per la produzione di energia elettrica su veicoli spaziali : si tratta delle fuel cells (celle a combustibile) e delle flywheels ( letteralmente "volani" ).
Considerando lo stato attuale di queste tecnologie, si decide, in questo lavoro, di non prenderle in considerazione per un utilizzo sul robot FRIEND.
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