キューブサット用のカスタムソーラーパネル：学生の取り組み

キューブサット、またはCubeSatsは、いろんな作業に使われる小型衛星で、人気が上がってる。地球の観測、科学研究、他の衛星や地上局との通信を助けるためによく使われてるんだ。キューブサットは標準的なサイズで作られていて、"ユニット"で測るんだけど、1Uは側面が約10cmの立方体になってる。従来の衛星より安くて作りやすいから、ますます多くのキューブサットが宇宙に打ち上げられてるよ。

ほとんどのキューブサットは太陽光パネルから電力を得てるんだけど、これらのパネルは一般的に商業的なソースから購入されるんだ。でも、オープンソースの選択肢が不足してるっていう市場のギャップがあるんだよ。このギャップを埋めるために、私たちはキューブサットで使える手頃でカスタマイズ可能な太陽光パネルのデザインを開発したんだ。このイノベーションは学生プロジェクトに特に役立つんだ。自分たちでパネルを作れるからお金を節約できて、貴重な実践経験も得られるしね。

#商業用太陽光パネルの課題

商業用の太陽光パネルは簡単に手に入るけど、制約があるんだ。衛星の他の部品と一緒に取り付けるのが難しいこともあるし、3Uキューブサット用の標準的な太陽光パネルは結構高額で、数万ドルにもなることが多いんだ。この高いコストが、学生や小さなチームがプロジェクトを打ち上げるのをためらわせてしまうこともあるよ。労働力や開発費用も全体の予算に大きく影響するからね。

自分たちで太陽光パネルをデザインすれば、学生たちはそれを製造・テストできて、コストを抑えたり、将来のエンジニアのためのトレーニングの機会を提供できるんだ。自社生産によって、より堅牢なデザインを生むことができるし、カスタムパネルは最高の性能を発揮できるように設定できる。そして、既存の衛星システムにより簡単に統合できるんだ。

#ノーザンSPIRITプロジェクト

2017年、アルバータ大学の学部生たちがEx-Alta 1という最初のキューブサットを打ち上げたんだけど、これは低軌道で磁気計測の実験を行ったんだ。この成功を受けて、彼らはノーザンSPIRITという衛星の星座に取り組むことに決めて、ユーコン大学とオーロラ研究所の学生たちと提携したんだ。このプロジェクトはカナダ宇宙庁から資金を受けていて、Ex-Alta 2、YukonSat、AuroraSatの3つの衛星が含まれてる。

Ex-Alta 2の目的の一つは野生火災の監視で、もう一つは3つの衛星用の太陽光パネルの作成だったんだ。利用可能なオープンソースの選択肢が少なかったから、チームは自分たちの太陽光パネルデザインの開発に多くの時間とリソースを割いたんだ。このカスタムパネルは2023年4月に国際宇宙ステーションから無事に展開されて、そこでのデザインと機能性について話すよ。

#太陽光パネルのデザインと機能

私たちは将来のキューブサットミッションに対応できるカスタマイズ可能な太陽光パネルのデザインを作ったんだ。このデザインには組み立て手順、テスト結果、改善のための今後の計画が含まれてる。打ち上げ前に、パネルは温度や真空条件、振動テストなどの厳しいテストを受けたんだ。

私たちの太陽光パネルはウィング展開のセットアップで整理されていて、衛星のニーズに十分な電力を生成できるようになってる。Ex-Alta 2の各パネルには6つの太陽電池が入っていて、性能を監視するためにいくつかのセンサーを使ったんだ。パネルは地球の方を向くように配置されていて、これは太陽エネルギーを最大化するために重要なんだよ。

#太陽光パネルの組み立てプロセス

私たちの太陽光パネルの組み立てプロセスは、太陽電池が正しく取り付けられるように開発されたんだ。これによって、展開後に問題が起こるリスクを減らせるんだ。エアポケットが太陽電池を傷めないようにダブルサイドテープと縫製技術を使ったんだ。この方法は信頼性を確保するために何度もテストされたよ。

パネルは、印刷回路基板（PCB）にセルを取り付けるために注意深く作られたんだ。まず、テープを太陽電池に合わせて切って、しっかり固定したんだ。エアを閉じ込めないように接着剤を丁寧に塗ったよ。組み立てが終わったら、電気性能のテストを行って、宇宙での使用に安全で効果的か確認したんだ。

#太陽光パネルのテスト

厳しいテストは私たちの太陽光パネル開発の重要なステップだったんだ。各セルは欠陥を調査され、さまざまな照明条件下での電力生成がテストされたよ。パネルが宇宙でどのように機能するかをシミュレートするために、さまざまな光源を使ったんだ。そして、私たちのパフォーマンス期待に応えているか確認した。

組み立てたパネルは、現実の条件下でちゃんと機能するか追加のテストを受けたんだ。真空チャンバーに入れて宇宙をシミュレートし、必要に応じて機能するか確認するためのテストを実施したんだ。この徹底した評価によって、衛星が打ち上げられる前に問題を特定できたんだ。

#展開リスクの評価

太陽光パネルの展開に伴うリスクも評価する必要があったんだ。もしパネルが正しく展開できなかったら、衛星は必要な電力を生成できないかもしれないよ。このリスクを評価するために、パネルの展開が失敗する場合など、さまざまなシナリオを考慮したんだ。

衛星が正しく機能するためには、特定の電力を必要とするさまざまな作業を完了する必要があるんだ。成功した場合と失敗した場合のシナリオでどれだけの電力が生成されるかを測定したんだ。シミュレーションでは、失敗した場合でも衛星は機能できるけど、機能性は制限されることが分かったよ。

#統合されたマグネトルカー

衛星コントロールの大事な部分は、軌道にいる間の姿勢を維持することなんだ。これは通常、かさばる姿勢制御システムで行われるけど、私たちはマグネトルカーを統合する可能性を探ったんだ。マグネトルカーは衛星を操縦するのに役立つコイルで、太陽光パネルに直接組み込むことでスペースを節約することができるんだ。

衛星の異なる側に3つのマグネトルカーを配置することで、姿勢の効果的な制御が可能になるんだ。デザインは効率を最大限に高めるように最適化されたけど、Ex-Alta 2のフライトモデルには標準システムを使ったからマグネトルカーは含まれてなかったんだ。

#結論と今後の方向性

要するに、私たちはノーザンSPIRITプロジェクトのためにカスタマイズ可能な太陽光パネルを成功裏にデザインしてテストしたんだ。私たちのアプローチは、事前に作られた解決策に代わるコスト効率が高く実用的な選択肢を提供して、学生主導の衛星ミッションの障壁を取り除いてる。新しいミッションが出てくるたびに、これらのデザインをさらに改善していくつもりだよ。

私たちはデザインファイルや組み立て手順を公開することで、今後のキューブサットプロジェクトをサポートし、宇宙探査におけるオープンソースのイニシアティブを促進したいと考えてる。このプロジェクトは、学生たちに教育の機会を広げるだけでなく、宇宙技術の成長する分野にも貢献してるんだ。今後は、デザインと機能性の改善に焦点を当てて、将来のミッションのニーズに応えられるようにしていくよ。