Създаването на човешко присъствие на Марс ще дойде с огромен набор от предизвикателства, много от които са свързани с едно основно изискване: Мощност. Независимо дали е за създаване на кислород, управление на роувъри, осигуряване на топлина и светлина или комуникации, бъдещите жители на Марс ще се нуждаят от постоянно снабдяване с електричество, за да бъдат в безопасност и да поддържат мисията в ход.
Съдържание
- Ядрени реактори в космоса
- Безопасността на ядрената енергия
- Енергия от слънцето
- Слънчевата светлина на Марс
- Избор на правилния източник на енергия за мисията
На Марс обаче няма електрическа мрежа и настоящите решения могат да ни отведат само толкова далеч. И така, как ще изглежда първата електроцентрала извън планетата? Свързахме се с двама души, работещи на върха на космическите енергийни системи в две различни агенции, за да разберем.
Препоръчани видеоклипове
Тази статия е част от Животът на Марс — поредица от 10 части, която изследва авангардните наука и технологии, които ще позволят на хората да окупират Марс
Ядрени реактори в космоса
Плановете на НАСА за бъдещето на производството на електроенергия включват системи за ядрено делене, при които атомите на урана се разделят вътре в реактор, за да генерират топлина. В сравнение с радиоизотопните системи (RTG), които захранват марсоходи като Perseverance, системите за делене могат произвеждат повече мощност докато все още остава в малък размер.
През март 2018 г. проектът Kilopower на агенцията демонстрира експеримент с делене, способен да произведе 1 киловат мощност, която може да се използва като основа за бъдещи космически реактори. Експериментът, наречен KRUSTY на името на реактора Kilopower, използващ технологията Stirling, беше захранван от ядро от уран-235, което НАСА описва като „с размерите на ролка хартиена кърпа“. Това генерира топлина, която след това се преобразува в електричество чрез механизъм, наречен двигател на Стърлинг.
Бъдеща повърхностна енергийна система за делене ще бъде малка и лека и може да работи поне 10 години. Това прави концепцията идеална за бъдещи мисии до Луната и евентуално до Марс.
Миналата година НАСА, заедно с Министерството на енергетиката, покани идеи от индустрията за 10-киловатова система. Четири или пет такива единици биха могли да захранват хабитат на Марс с всичко, което включва - като производството на кислород за ракети гориво, както и задоволяване на нуждите на трима до четирима астронавти, което се оценява на общо около 40 киловата.
Дион Ернандес-Луго беше ръководител на проекта за Kilopower и сега е заместник-мениджър на проекта за повърхностна мощност на делене на НАСА демонстрация на лунна технология и тя каза на Digital Trends, че възнамеряват да тестват първия модул на Луната през следващия десетилетие.
„Идеята е първо да демонстрираме системата на Луната като част от програмата Artemis“, каза тя. „Нашият проект разглежда разработването на 10-киловатова система и извършването на първата демонстрация на Луната. Това ще ни помогне да разберем системата. След това могат да бъдат направени всички необходими модификации на дизайна и може да се използва в бъдещи мисии до Марс.
Планът за първия тест на Луната е енергийният блок да остане в лунния спускаем апарат. Оставянето на модула в модула за кацане „помага за по-лесни операции на системата, вместо да поема допълнителната маса, която би позволила отстраняването“, обясни тя. Това е, върху което работи нейният екип. Но те също се надяват да видят идеи от индустрията за това как може да работи и сменяема система. „Точно сега, в рамките на нашата група, идеята е да оставим системата в спускаемия модул“, каза тя. „Но има много иновации и в този момент ние търсим тези иновации от индустрията, за да видим други възможности, които биха имали.“
Вътрешно проучване на НАСА изчислява, че всеки 10-киловатов модул ще бъде около шест метра (19,6 фута) висок и над два метра (6,5 фута) широк, въпреки че точните детайли ще зависят от окончателния дизайн. Концептуално изображение (по-горе), създадено от НАСА, показва четири такива единици, свързани заедно на повърхността на Марс, за да осигурят енергия за база там, така че можете да си представите как може да изглежда една марсианска електроцентрала.
Безопасността на ядрената енергия
Един фактор, за който хората са склонни да се интересуват, когато става въпрос за използване на ядрена енергия на Земята, е безопасността и това се отнася и за космическите мисии. Радиоактивните елементи, използвани в ядрените енергийни реактори, като урана, използван в демонстрацията Kilopower, излъчват радиация, която е опасна за хората и която също може да причини проблеми с близката електроника оборудване.
За да се предпазят както хората, така и електрониката, енергийните системи за делене са заобиколени от дебел метален екран, който съдържа радиацията. Всяка нова енергийна система за мисия на Марс ще бъде подложена на обширни тестове на Земята, за да се гарантира беше безопасен дори при екстремни условия, като експлоатационни тестове, вакуумни тестове и вибрации тестване.
Ернандес-Луго посочи, че НАСА вече е стартирала над 20 мисии в миналото, които са използвали различни видове ядрени енергийни системи, „така че НАСА има опит и опит в изстрелването на ядрени енергийни системи както на Луната, така и Марс.
Съществува също така загриженост относно използването на силно обогатен уран в енергийните системи, което беше използвано при демонстрацията на Kilopower. Този материал може да се използва и за производство на ядрени оръжия, така че някои политически лидери са притеснени че използването му в космически проекти може да насърчи разпространението му на Земята.
За да се отговори на тези опасения, бъдещите системи за повърхностно делене могат да използват вместо това ниско обогатен уран, който обикновено се използва в енергийни реактори на Земята и не е оръжеен. „Проектите с ниско обогатен уран са много привлекателни от гледна точка на намалено регулиране и съответствие с последните директиви на националната космическа ядрена политика“, пише Ернандес-Луго в продължение електронна поща. „Използването на високообогатен уран все още е възможно, ако мисията има преобладаваща нужда.“
The най-новата директива за космическа политика, публикуван от Белия дом през декември миналата година, позволява използването само на високообогатен уран ако е одобрен от различни държавни органи и може да се докаже, че е единственият начин за попълване на a мисия.
Енергия от слънцето
Ядрената енергия обаче не е единственият вариант за генериране на електроенергия: една от най-често срещаните опции за захранване, използвани за космически мисии в момента, е слънчевата енергия. Европейската космическа агенция (ESA) използва слънчева енергия за почти всичките си мисии и нейният предстоящ марсоход, наречен Rosalind Franklin, също ще бъде захранван от слънчева енергия.
„В космоса ефективността е дори по-важна, отколкото на земята и ние непрекъснато натискаме това, което е технически възможно.“
Леополд Самърър, ръководител на екипа за напреднали концепции в ESA, който изследва нововъзникващите технологии за космически мисии, каза Digital Trends в имейл, че слънчевата енергия има предимство пред ядрената енергия, тъй като не се нуждае от допълнителна безопасност мерки. Той също така посочи, че широкото използване на технологията за слънчева енергия на Земята означава постоянно развитие, което може да се приложи в космоса мисии: „Слънчевата енергия е бързо развиваща се технология, предлагаща лесна употреба, достъп и висока зрялост в допълнение към това, че е напълно възобновяема“, той казах.
Този бърз темп на развитие означава, че инженерите проектират панели, които могат да произвеждат още повече електричество същото количество слънчева светлина и Summerer очаква, че бъдещите слънчеви системи ще продължат да получават повече ефикасен.
„В космоса ефективността е дори по-важна, отколкото на земята и ние непрекъснато натискаме това, което е технически възможно“, каза Съмърър. Относително малките увеличения на ефективността и масата на слънчевите клетки могат да направят голяма разлика в общата цена на слънчевите системи, особено за по-малки плавателни съдове като сателити.
Но както всички технологии, има ограничения за използването на слънчева енергия. „Той има недостатъка да зависи от външен източник, слънцето, и всички недостатъци, които идват с него“, каза Съмърър. В много ситуации захранването от слънцето е само периодично. На планета с дневен и нощен цикъл батериите могат да се използват за съхраняване на излишната енергия през деня и да продължат да я доставят през нощта. Но това добавя още един обемист елемент към захранващата система, както и допълнителен слой сложност.
Едно футуристично решение на този проблем, което се разглежда, е разработването на орбитални слънчеви електроцентрали, който може да работи в тандем със слънчеви енергийни панели на повърхността, за да събира енергия от слънцето и да я предава безжично надолу към повърхността. ESA в момента е търсене на концепции за да превърнем тази идея в реалност.
Слънчевата светлина на Марс
Когато става въпрос конкретно за Марс обаче, има някои предизвикателства при използването на слънчева енергия. Тъй като е по-далеч от слънцето, отколкото е Земята, по-малко слънчева светлина достига до повърхността на планетата. Това означава, че изследователите на Марс ще имат достъп до около половината слънчева радиация, отколкото биха имали на Земята.
Това не означава, че използването на слънчева енергия е невъзможно на Марс, просто мисиите трябва да бъдат много внимателни с използването на енергия. Предишното поколение марсоходи на НАСА, Spirit и Opportunity, използваха слънчева енергия, а настоящите орбитални апарати като Mars Express и Mars Orbiter Mission също са със слънчева енергия.
На Марс обаче има друг проблем: Прашни бури. Марс има сложна метеорологична система, която понякога води до масивни глобални прашни бури, временно блокиращи голяма част от слънчевата светлина и покриващи практически всичко на планетата в слой прах – включително слънчевата панели. Това е причината марсоходът Opportunity с невероятно дълъг живот в крайна сметка да потъмнее, когато през 2018 г. над планетата се разрази масивна прашна буря.
Summerer смята, че чрез комбиниране на повърхностни и орбитални слънчеви електроцентрали вероятно бихте могли да генерирате достатъчно енергия за човешкото местообитание. Но той също така призна, че има полза от комбинирането на слънчева енергия с други източници на енергия като ядрената. „Слънчевата енергия на повърхността и в крайна сметка допълнена от орбита може да осигури достатъчно енергия за човешките местообитания на Марс, но както се демонстрира от най-новите роувъри, като тъй като Perseverance, който току-що се приземи, понякога малките източници на ядрена енергия осигуряват толкова голямо конкурентно предимство, че бих очаквал те също да играят роля“, той написа.
Избор на правилния източник на енергия за мисията
Ернандес-Луго се съгласи, че има потенциална стойност във всички видове енергийни системи за мисия на Марс, включително слънчева енергия, батерии и ядрена енергия. „Енергийната система ще зависи от конкретната мисия“, каза тя. Изследователският център Glenn на НАСА, където тя работи, е центърът за развитие на мощността на НАСА и извършва изследвания в широк разнообразие от опции за захранване, включително батерии, слънчеви клетки, радиоизотопни системи, енергийни системи за делене и регенеративно гориво клетки. Ключът е да изберете правилния източник на енергия за нуждите на мисията, въз основа на наличните ресурси.
Има различни предимства на ядрената система за мисии за обитаване на хора. Първо, когато искате да проектирате енергийна система за използване както на Луната, така и на Марс, както прави НАСА, тогава трябва да се справите с двуседмичните периоди на тъмнина на Луната.
„Когато започнете да мислите как да проектирате архитектура на мисията, която ви позволява да имате постоянна мощност, тогава ядрената енергия влиза в игра“, каза тя. „Защото имате нужда от надеждна система, която ще ви осигури непрекъснато захранване по време на тези нощни операции.“
За Марс непрекъснатото генериране на енергия също е важно, особено за безопасността на астронавтите, живеещи там. Определено искате енергийна система, която ще продължи да работи при всякакви метеорологични условия, дори по време на прахова система, а ядрената енергия може да осигури това.
Ернандес-Луго също посочи, че настоящите мисии на НАСА до Марс, като Марс 2020, използват комбинация от двете слънчеви мощност за хеликоптера Ingenuity и ядрена енергия за марсохода Perseverance, за да отговарят на специфичните нужди на мисия.
„Понастоящем в рамките на агенцията те гледат да усъвършенстват всички различни енергийни системи, за да ги имат на разположение при мисии като Луната и Марс“, каза тя. „Така че има място за всички енергийни системи.“
Тази статия е част от Животът на Марс — поредица от 10 части, която изследва авангардните наука и технологии, които ще позволят на хората да окупират Марс
Препоръки на редакторите
- Космологично пътуване: сложната логистика на изпращането на хора на Марс
- Усъвършенстване на задвижването: Как ще отведем хората до Марс
- Замъци, направени от пясък: Как ще направим местообитания с марсианска почва
- Събиране на хидратация: Как бъдещите заселници ще създават и събират вода на Марс
- Астроземеделие: Как ще отглеждаме култури на Марс
