太陽電池の劣化予測

VOI-1からVOI-R1までの5年間、「あかつき」の太陽電池パネルは、+100℃～+140℃という高温で、地球近傍の2.0倍〜2.8倍という紫外線にさらされました。しかし結論から言うと、これらは太陽電池パネルを大幅に劣化させることはありませんでした。「あかつき」の太陽電池パネルは太陽電池セル以外の部分はミラーで覆われ、水星探査への応用も視野に入れて開発を進めてきたもので、+185℃の高温耐性をもって作られていたためです。

宇宙空間で太陽電池を劣化させる主要因は放射線であり、被曝量はミッションの長期化に伴い増加します。打上げ以降の太陽電池パネルの電流・電力・電圧出力特性を図３に示します。比較しやすいように、太陽距離0.7AU、温度100℃の条件に換算しました。通常の衛星はミッション末期に発生電力が最小となり、これを設計の基準とします。しかし、「あかつき」の発生電力最小点は打上げ後すぐに太陽から最も遠ざかったタイミングに訪れており、目的地である金星に近づくと、太陽光強度が地球近傍の2倍に増加するので、発生電力には余裕があります。「あかつき」が必要とする電力は約500Wです。それに対し、VOI-R1から2,000日後であっても約950Wと十分に大きな電力を得ることができる見通しです。

図３　打上げ以降の太陽電池パネルの電流・電力・電圧出力特性

バッテリの延命対策

深宇宙探査機にとって、軽量化は至上命題です。「あかつき」のバッテリの容量は、ミッション末期から容量劣化を逆算して積み上げ、最小限に必要な量として23.5Ahと定めました。バッテリの寿命は打上げから4.5年を想定していましたが、VOI-R1時点ですでに5.5年が経過していました。しかし、リチウムイオン電池の劣化は単純に使用年数では決まらず、温度が高いほど、そして充電状態が高いほど、速く進行します。そこで、温度と充電状態を極力低く保つことを基本戦略としました。

図４に、探査機が必要とする容量とバッテリが放電可能な容量、そして充電状態の推移を示します。打上げ～金星到着の期間は全日照で、バッテリにはセーフホールド（緊急時の安全姿勢）に移行するための電力だけを蓄えておきます。当初は充電状態40%とし、温度10℃で維持していましたが、VOI-1失敗時にセーフホールドに移行した履歴から見積もり精度を上げ、充電状態30%、温度0℃まで切り詰めて劣化の低減を図りました。

図４　（上）探査機が必要とする容量とバッテリが放電可能な容量　（下）充電状態の推移

「あかつき」が金星周回軌道に入ると、間欠的に日陰が訪れ、バッテリの充放電サイクル運用が始まります。長楕円軌道を周回するため、日陰時間は連続的に変化し、全日照期間も存在します。そこで我々は、櫛形運用と称して、日陰時間に応じて充電状態を調節する、すなわち「必要な分しか充電しない」運用方法を考案しました。

VOI-R1により「あかつき」が実際に投入された軌道は、当初の計画よりも遠近点高度が高く、軌道周期の長いものとなりました。そのため、2年間に訪れる日陰は550回から50回程度に減少し、充放電回数の面ではバッテリへの負担は低下しました。一方で、最大の日陰時間は1.5時間から8時間近くにまで長期化します。図４からも、必要容量が放電可能容量を上回る日陰が数回あることが見て取れます。このようなケースでは、一時的に温度を5℃から20℃に、充電状態を100%以上に高めることで高容量放電を可能にし、さらにマージンの吐き出しと負荷電力低減を行うことで、対処できる見通しとなっています。