الطاقة خارج كوكب الأرض: كيف سنولد الطاقة على المريخ

سيأتي إنشاء وجود بشري على المريخ بمجموعة كبيرة من التحديات، يرتبط الكثير منها بمتطلبات أساسية واحدة: القوة. سواء كان ذلك من أجل خلق الأكسجينأو قيادة المركبات الجوالة أو توفير الحرارة والضوء أو الاتصالات، سيحتاج سكان المريخ في المستقبل إلى إمدادات مستمرة من الكهرباء للحفاظ على سلامتهم واستمرار المهمة.

ومع ذلك، لا توجد شبكة كهرباء على المريخ، ولا يمكن للحلول الحالية أن تأخذنا إلا إلى هذا الحد. إذًا كيف ستبدو أول محطة للطاقة خارج الكوكب؟ لقد تواصلنا مع شخصين يعملان في أحدث أنظمة الطاقة الفضائية في وكالتين مختلفتين لمعرفة ذلك.

هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ - سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ

المفاعلات النووية في الفضاء

تشمل خطط ناسا لمستقبل توليد الطاقة أنظمة الانشطار النووي، حيث يتم تقسيم ذرات اليورانيوم داخل مفاعل لتوليد الحرارة. بالمقارنة مع أنظمة النظائر المشعة (RTGs) التي تشغل المركبات الجوالة مثل بيرسيفيرانس، يمكن لأنظمة الانشطار إنتاج المزيد من القوة مع البقاء بحجم صغير.

وفي مارس 2018، أظهر مشروع كيلوباور التابع للوكالة تجربة انشطارية قادرة على إنتاج كيلووات واحد من الطاقة، والتي يمكن استخدامها كأساس لمفاعلات الفضاء المستقبلية. التجربة، الملقبة بـ KRUSTY على اسم مفاعل كيلوباور باستخدام تقنية ستيرلينغ، كانت مدعومة بنواة من اليورانيوم 235 والتي وصفت ناسا "بحجم لفافة المناشف الورقية." أدى هذا إلى توليد الحرارة، والتي تم تحويلها بعد ذلك إلى كهرباء من خلال آلية تسمى محرك ستيرلنغ.

سيكون نظام الطاقة السطحية الانشطارية المستقبلي صغيرًا وخفيف الوزن ويمكن تشغيله لمدة 10 سنوات على الأقل. وهذا يجعل المفهوم مثاليًا للبعثات المستقبلية إلى القمر، وفي النهاية إلى المريخ.

في العام الماضي، قامت ناسا، بالتعاون مع وزارة الطاقة، بدعوة أفكار من الصناعة لنظام بقدرة 10 كيلووات. يمكن لأربع أو خمس وحدات من هذا القبيل أن تمد موطن المريخ بالطاقة بكل ما يستلزم ذلك، مثل إنتاج الأكسجين للصواريخ الوقود الدافع بالإضافة إلى تلبية احتياجات ثلاثة إلى أربعة رواد فضاء، والتي تشير التقديرات إلى أنها تتطلب ما مجموعه حوالي 100000000 رواد فضاء 40 كيلووات.

كانت ديون هيرنانديز لوغو مديرة مشروع كيلوباور وهي الآن نائبة مدير مشروع الطاقة السطحية الانشطارية التابعة لناسا. عرض توضيحي للتكنولوجيا القمرية، وأخبرت موقع Digital Trends أنهم يعتزمون اختبار الوحدة الأولى على القمر خلال الفترة التالية عقد.

وقالت: "الفكرة هي عرض النظام أولاً على القمر كجزء من برنامج أرتميس". "يتطلع مشروعنا إلى تطوير نظام بقدرة 10 كيلووات وإجراء أول عرض توضيحي على القمر. وهذا من شأنه أن يساعدنا على فهم النظام. بعد ذلك، يمكن إجراء أي تعديلات مطلوبة على التصميم، ويمكن استخدامها في البعثات المستقبلية إلى المريخ.

تتمثل خطة الاختبار الأول على القمر في بقاء وحدة الطاقة داخل مركبة الهبوط على سطح القمر. وأوضحت أن ترك الوحدة في مركبة الهبوط "يساعد في تسهيل عمليات النظام بدلاً من أخذ الكتلة الإضافية التي قد تسمح بإزالتها". وهذا ما يعمل عليه فريقها. لكنهم يأملون أيضًا في رؤية أفكار من الصناعة حول كيفية عمل النظام القابل للإزالة أيضًا. وقالت: "في الوقت الحالي، داخل مجموعتنا، الفكرة هي ترك النظام داخل مركبة الهبوط". "ولكن هناك الكثير من الابتكارات، وفي هذا الوقت نسعى للحصول على تلك الابتكارات من الصناعة لنرى الخيارات الأخرى التي قد تكون متاحة لهم."

وقدرت دراسة داخلية لوكالة ناسا أن كل وحدة بقدرة 10 كيلوواط سيكون طولها حوالي ستة أمتار (19.6 قدم) وعرضها أكثر من مترين (6.5 قدم)، على الرغم من أن التفاصيل الدقيقة ستعتمد على التصميم النهائي. تظهر الصورة المفاهيمية (أعلاه) التي أنتجتها وكالة ناسا أربع وحدات من هذا القبيل مرتبطة ببعضها البعض على سطح المريخ لتوفير الطاقة لقاعدة هناك، حتى تتمكن من تصور الشكل الذي قد تبدو عليه محطة توليد الطاقة على المريخ.

سلامة الطاقة النووية

أحد العوامل التي يميل الناس إلى الاهتمام بها عندما يتعلق الأمر باستخدام الطاقة النووية على الأرض هو السلامة، وهذا ينطبق على البعثات الفضائية أيضًا. العناصر المشعة المستخدمة في مفاعلات الطاقة النووية، مثل اليورانيوم المستخدم في تجربة كيلوباور، تنبعث منها إشعاعات تشكل خطورة على البشر والتي يمكن أن تسبب أيضًا مشاكل في الأجهزة الإلكترونية القريبة معدات.

وللحفاظ على سلامة الأشخاص والأجهزة الإلكترونية، تُحاط أنظمة الطاقة الانشطارية بدرع معدني سميك يحتوي على الإشعاع. سيتم إخضاع أي نظام طاقة جديد لمهمة المريخ لاختبارات مكثفة على الأرض للتأكد من ذلك كان آمنًا حتى في ظل الظروف القاسية، مثل الاختبار التشغيلي واختبار الفراغ والاهتزاز اختبارات.

وأشار هيرنانديز لوغو إلى أن وكالة ناسا أطلقت بالفعل أكثر من 20 مهمة في الماضي استخدمت أنواعًا مختلفة من أنظمة الطاقة النووية، "لذا فإن وكالة ناسا لديها الخبرة والخلفية في إطلاق أنظمة الطاقة النووية إلى القمر والقمر المريخ."

هناك أيضًا مخاوف بشأن استخدام اليورانيوم عالي التخصيب في أنظمة الطاقة، وهو ما استخدمته تجربة كيلوباور. ويمكن أيضًا استخدام هذه المادة في صنع أسلحة نووية ويشعر بعض القادة السياسيين بالقلق وأن استخدامه في المشاريع الفضائية قد يشجع على انتشاره على الأرض.

ولمعالجة هذه المخاوف، يمكن لأنظمة الانشطار السطحي المستقبلية أن تستخدم اليورانيوم المنخفض التخصيب بدلاً من ذلك، والذي يستخدم عادة في مفاعلات الطاقة على الأرض وليس من الدرجة المستخدمة في صنع الأسلحة. "إن تصميمات اليورانيوم المنخفض التخصيب جذابة للغاية من منظور تقليل التنظيم والتنظيم كتب هيرنانديز لوغو في متابعة: "الامتثال لتوجيهات السياسة النووية الفضائية الوطنية الأخيرة". بريد إلكتروني. "لا يزال استخدام اليورانيوم عالي التخصيب ممكنا إذا كانت هناك حاجة ملحة للمهمة."

ال أحدث توجيهات سياسة الفضاءالذي أصدره البيت الأبيض في ديسمبر من العام الماضي، يسمح فقط باستخدام اليورانيوم عالي التخصيب إذا تمت الموافقة عليه من قبل الهيئات الحكومية المختلفة ويمكن إثبات أنه الطريقة الوحيدة لإكمال ملف مهمة.

طاقة من الشمس

ومع ذلك، فإن الطاقة النووية ليست الخيار الوحيد لتوليد الطاقة: فأحد خيارات الطاقة الأكثر شيوعًا المستخدمة في المهام الفضائية في الوقت الحالي هي الطاقة الشمسية. تستخدم وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) الطاقة الشمسية في جميع مهامها تقريبًا، وستكون عربتها الجوالة القادمة إلى المريخ، والتي تسمى روزاليند فرانكلين، تعمل بالطاقة الشمسية أيضًا.

وقال ليوبولد سمرر، رئيس فريق المفاهيم المتقدمة في وكالة الفضاء الأوروبية، والذي يهتم بالباحثين في مجال التقنيات الناشئة للمهام الفضائية الاتجاهات الرقمية في رسالة بريد إلكتروني تفيد بأن الطاقة الشمسية تتمتع بميزة على الطاقة النووية من حيث أنها لا تحتاج إلى أمان إضافي مقاسات. وأشار أيضا إلى أن الاستخدام المكثف لتكنولوجيا الطاقة الشمسية على الأرض يعني تطورات مستمرة يمكن تطبيقها على الفضاء المهام: "الطاقة الشمسية هي تقنية سريعة التطور توفر سهولة الاستخدام والوصول والنضج العالي بالإضافة إلى كونها متجددة بالكامل". قال.

ويعني هذا المعدل السريع للتطور أن المهندسين يقومون بتصميم لوحات يمكنها إنتاج المزيد من الكهرباء منها نفس الكمية من ضوء الشمس، ويتوقع سمرر أن تستمر الأنظمة الشمسية المستقبلية في الحصول على المزيد فعال.

وقال سمرر: "في الفضاء، تعد الكفاءة أكثر أهمية مما هي عليه على الأرض، ونحن ندفع باستمرار إلى ما هو ممكن من الناحية التقنية". يمكن للزيادات الصغيرة نسبيًا في كفاءة وكتلة الخلايا الشمسية أن تحدث فرقًا كبيرًا في التكلفة الإجمالية للأنظمة الشمسية، خاصة بالنسبة للمركبات الصغيرة مثل الأقمار الصناعية.

ولكن مثل جميع التقنيات، هناك قيود على استخدام الطاقة الشمسية. وقال سمرر: "من عيوبها أنها تعتمد على مصدر خارجي، أي الشمس، وكل السلبيات التي تصاحبها". في كثير من الحالات، تكون الطاقة القادمة من الشمس متقطعة فقط. على كوكب له دورة نهارية وليلية، يمكن استخدام البطاريات لتخزين الطاقة الزائدة أثناء النهار والاستمرار في إمدادها ليلاً. لكن هذا يضيف عنصرًا ضخمًا آخر إلى نظام الطاقة بالإضافة إلى طبقة إضافية من التعقيد.

أحد الحلول المستقبلية لهذه المشكلة التي يتم النظر فيها هو تطوير محطات الطاقة الشمسية المداريةوالتي يمكن أن تعمل جنبًا إلى جنب مع ألواح الطاقة الشمسية الموجودة على السطح لجمع الطاقة من الشمس وإرسالها إلى السطح لاسلكيًا. وكالة الفضاء الأوروبية حاليا تسعى المفاهيم لتحويل هذه الفكرة إلى واقع.

ضوء الشمس على المريخ

عندما يتعلق الأمر بالمريخ على وجه التحديد، هناك بعض التحديات المتعلقة باستخدام الطاقة الشمسية. وبما أنه أبعد عن الشمس من الأرض، فإن كمية أقل من ضوء الشمس تصل إلى سطح الكوكب. وهذا يعني أن المستكشفين على المريخ سيتمكنون من الوصول إلى حوالي نصف الإشعاع الشمسي الذي يمكنهم الحصول عليه على الأرض.

هذا لا يعني أن استخدام الطاقة الشمسية أمر مستحيل على المريخ، لكن المهمات يجب أن تكون حذرة للغاية فيما يتعلق باستخدامها للطاقة. استخدم الجيل السابق من مركبات ناسا المريخية، Spirit and Opportunity، الطاقة الشمسية، والمدارات الحالية مثل Mars Express وMars Orbiter Mission تعمل بالطاقة الشمسية أيضًا.

ولكن هناك مشكلة أخرى على المريخ: عواصف رملية. يمتلك المريخ نظامًا مناخيًا معقدًا يؤدي أحيانًا إلى حدوث عواصف ترابية عالمية هائلة، مما يؤدي إلى حجبه مؤقتًا الكثير من ضوء الشمس ويغطي عمليا كل شيء على الكوكب بطبقة من الغبار - بما في ذلك الطاقة الشمسية لوحات. وهذا هو السبب الذي أدى إلى إظلام مركبة أوبورتيونيتي التي استمرت لفترة طويلة بشكل لا يصدق، عندما اجتاحت عاصفة ترابية هائلة الكوكب في عام 2018.

يعتقد سامر أنه من خلال الجمع بين محطات الطاقة الشمسية السطحية والمدارية، ربما يمكنك توليد طاقة كافية لمسكن الإنسان. لكنه أقر أيضًا بوجود قيمة في الجمع بين الطاقة الشمسية ومصادر الطاقة الأخرى مثل الطاقة النووية. "يمكن للطاقة الشمسية الموجودة على السطح والتي يتم استكمالها في النهاية من المدار أن توفر طاقة كافية للمساكن البشرية على المريخ، ولكن كما أظهرت أحدث المركبات الفضائية، فإن مثل هذه الطاقة مثل المثابرة التي هبطت للتو، توفر مصادر الطاقة النووية الصغيرة في بعض الأحيان ميزة تنافسية كبيرة لدرجة أنني أتوقع أن تلعب هذه المصادر أيضًا دورًا. كتب.

اختيار مصدر الطاقة المناسب للمهمة

واتفق هيرنانديز لوغو على أن هناك قيمة محتملة في جميع أنواع أنظمة الطاقة لمهمة المريخ، بما في ذلك الطاقة الشمسية والبطاريات والطاقة النووية. وقالت: "سيعتمد نظام الطاقة على المهمة المحددة". مركز جلين للأبحاث التابع لناسا، حيث تعمل، هو مركز تطوير الطاقة التابع لناسا ويقوم بإجراء الأبحاث في نطاق واسع مجموعة متنوعة من خيارات الطاقة، بما في ذلك البطاريات والخلايا الشمسية وأنظمة النظائر الراديوية وأنظمة الطاقة الانشطارية والوقود المتجدد الخلايا. المفتاح هو اختيار مصدر الطاقة المناسب لاحتياجات المهمة، بناءً على الموارد المتاحة.

هناك مزايا واضحة للنظام النووي لمهمات السكن البشري. أولاً، عندما تريد تصميم نظام طاقة للاستخدام على القمر والمريخ، كما تفعل وكالة ناسا، فأنت بحاجة إلى التعامل مع فترات الظلام التي تستمر أسبوعين على القمر.

وقالت: "عندما تبدأ بالتفكير في كيفية تصميم بنية مهمة تسمح لك بالحصول على طاقة ثابتة، عندها يأتي دور الطاقة النووية". "لأنك تحتاج إلى نظام موثوق به يمنحك طاقة مستمرة أثناء تلك العمليات الليلية."

بالنسبة للمريخ، يعد التوليد المستمر للطاقة أمرًا مهمًا أيضًا، خاصة لسلامة رواد الفضاء الذين يعيشون هناك. أنت بالتأكيد تريد نظام طاقة يستمر في العمل في أي ظروف جوية، حتى أثناء وجود نظام غبار، ويمكن للطاقة النووية توفير ذلك.

وأشار هيرنانديز لوغو أيضًا إلى أن مهمات ناسا الحالية إلى المريخ، مثل مارس 2020، تستخدم مزيجًا من الطاقة الشمسية. الطاقة لطائرة الهليكوبتر Ingenuity والطاقة النووية للمركبة الجوالة Perseverance، لتناسب الاحتياجات الخاصة للمركبة مهمة.

وقالت: "في هذا الوقت، داخل الوكالة، يتطلعون إلى تطوير جميع أنظمة الطاقة المختلفة لإتاحتها في مهام مثل القمر والمريخ". "لذلك هناك مكان لجميع أنظمة الطاقة."

هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ - سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ

توصيات المحررين

• رحلة كونية: الخدمات اللوجستية الصعبة المتمثلة في وضع الناس على المريخ
• إتقان الدفع: كيف سنوصل البشر إلى المريخ
• قلاع مصنوعة من الرمال: كيف سنبني موائل من تربة المريخ
• حصاد الماء: كيف سيخلق المستوطنون المستقبليون المياه ويجمعونها على المريخ
• الزراعة الفلكية: كيف سنزرع المحاصيل على المريخ