Mimozemská energie: Jak budeme generovat energii na Marsu

Vytvoření lidské přítomnosti na Marsu bude spojeno s obrovskou řadou výzev, z nichž mnohé jsou spojeny s jedním základním požadavkem: s výkonem. Ať už je to pro vytváření kyslíkuBudoucí obyvatelé Marsu, kteří pohánějí rovery, poskytují teplo a světlo nebo komunikaci, budou potřebovat neustálý přísun elektřiny, aby byli v bezpečí a mise běžela.

Na Marsu však není žádná elektrická síť a současná řešení nás mohou dostat jen tak daleko. Jak tedy bude první mimoplanetární elektrárna vypadat? Spojili jsme se se dvěma lidmi pracujícími na špičce vesmírných energetických systémů ve dvou různých agenturách, abychom to zjistili.

Tento článek je součástí Život na Marsu — 10dílná série, která zkoumá špičkovou vědu a technologii, která lidem umožní okupovat Mars

Jaderné reaktory ve vesmíru

Plány NASA pro budoucnost výroby energie zahrnují systémy jaderného štěpení, ve kterých jsou atomy uranu štěpeny uvnitř reaktoru za účelem výroby tepla. Ve srovnání s radioizotopovými systémy (RTG), které pohánějí vozítka jako Perseverance, mohou štěpné systémy

vyrábět více energie zatímco stále zůstává na malé velikosti.

V březnu 2018 projekt agentury Kilopower demonstroval štěpný experiment schopný vyrobit 1 kilowatt energie, který by mohl být použit jako základ pro budoucí vesmírné reaktory. Experiment, přezdívaný KRUSTY podle Kilopower Reactor Using Stirling Technology, byl poháněn jádrem z uranu-235, které NASA popsala jako „velikost role papírového ručníku“. Toto vytvářelo teplo, které bylo následně přeměněno na elektřinu prostřednictvím mechanismu zvaného Stirlingův motor.

Budoucí štěpný povrchový energetický systém bude malý a lehký a mohl by fungovat minimálně 10 let. Díky tomu je tento koncept ideální pro budoucí mise na Měsíc a nakonec i na Mars.

Minulý rok NASA spolu s ministerstvem energetiky pozvala nápady z průmyslu na 10kilowattový systém. Čtyři nebo pět takových jednotek by mohlo pohánět biotop na Marsu se vším, co k tomu patří – jako je výroba kyslíku pro rakety pohonnou hmotu, stejně jako uspokojení potřeb tří až čtyř astronautů, což je podle odhadů vyžadovat celkem kolem 40 kilowattů.

Dionne Hernandez-Lugo byla projektovou manažerkou Kilopower a nyní je zástupkyní projektového manažera pro štěpnou povrchovou energii NASA. demonstraci lunární technologie a řekla Digital Trends, že během příštího hodlají otestovat první jednotku na Měsíci desetiletí.

"Myšlenka je demonstrovat systém nejprve na Měsíci jako součást programu Artemis," řekla. „Náš projekt se zabývá vývojem 10kilowattového systému a provedením první demonstrace na Měsíci. To by nám pomohlo pochopit systém." Poté mohly být provedeny jakékoli požadované konstrukční úpravy a mohly být použity v budoucích misích na Mars.

Plán pro první test na Měsíci je takový, že pohonná jednotka zůstane v lunárním landeru. Ponechání jednotky v přistávacím modulu „pomáhá ke snadnějšímu ovládání systému spíše než ubírání hmoty navíc, která by umožnila odstranění,“ vysvětlila. Na tom její tým pracuje. Ale také doufají, že uvidí nápady z průmyslu o tom, jak by vyjímatelný systém mohl také fungovat. "Právě teď je v naší skupině myšlenka opustit systém v přistávacím modulu," řekla. "Ale je tam spousta inovací a v tuto chvíli hledáme tyto inovace v průmyslu, abychom viděli další možnosti, které by měli."

Interní studie NASA odhaduje, že každá 10kilowattová jednotka bude asi šest metrů (19,6 stop) vysoká a přes dva metry (6,5 stop) široká, ačkoli přesné detaily budou záviset na konečném návrhu. Koncepční obrázek (výše) vytvořený NASA ukazuje čtyři takové jednotky spojené dohromady na povrchu Marsu, aby poskytovaly energii pro tamní základnu, takže si můžete představit, jak by mohla vypadat marťanská elektrárna.

Bezpečnost jaderné energie

Jedním z faktorů, kterým se lidé při využívání jaderné energie na Zemi zabývají, je bezpečnost, a to platí i pro vesmírné mise. Radioaktivní prvky používané v jaderných energetických reaktorech, jako je uran použitý v demonstraci Kilopower, vydávat záření, které je nebezpečné pro lidi a které může také způsobit problémy s blízkou elektronikou zařízení.

Aby byli lidé i elektronika v bezpečí, jsou štěpné energetické systémy obklopeny silným kovovým stíněním, které obsahuje záření. Jakýkoli nový energetický systém pro misi na Mars by prošel rozsáhlým testováním na Zemi, aby se to potvrdilo byl bezpečný i za extrémních podmínek, jako je provozní testování, vakuové testování a vibrace testování.

Hernandez-Lugo poukázal na to, že NASA již v minulosti zahájila více než 20 misí, které využívaly různé typy jaderné energetické systémy, „takže NASA má odborné znalosti a zkušenosti s vypouštěním jaderných energetických systémů jak na Měsíc, tak i Mars."

Existuje také obava z použití vysoce obohaceného uranu v energetických systémech, což je to, co demonstrace Kilopower použila. Tento materiál lze také použít k výrobě jaderných zbraní, tzv někteří političtí představitelé mají obavy že jeho použití ve vesmírných projektech by mohlo podpořit jeho šíření na Zemi.

K řešení těchto obav by budoucí systémy povrchového štěpení mohly místo toho používat nízko obohacený uran, který se běžně používá v energetických reaktorech na Zemi a není zbrojní. „Designy s nízkým obsahem uranu jsou velmi atraktivní z hlediska omezení regulace a soulad s nedávnými národními směrnicemi o vesmírné jaderné politice,“ napsal Hernandez-Lugo v následné zprávě e-mailem. "Využití vysoce obohaceného uranu je stále možné, pokud má mise převažující potřebu."

The nejnovější směrnice o vesmírné politice, vydané Bílým domem v prosinci loňského roku, umožňuje pouze použití vysoce obohaceného uranu pokud je schválena různými vládními orgány a lze jej prokázat jako jediný způsob dokončení a mise.

Energie ze slunce

Jaderná energie však není jedinou možností pro výrobu energie: Jednou z nejběžnějších možností napájení používaných pro vesmírné mise právě teď je solární energie. Evropská kosmická agentura (ESA) využívá solární energii prakticky pro všechny své mise a její nadcházející marťanské vozítko Rosalind Franklin bude také na solární pohon.

Leopold Summerer, vedoucí týmu pokročilých konceptů v ESA, který zkoumá nové technologie pro vesmírné mise, řekl Digitální trendy v e-mailu, že solární energie má oproti jaderné energii výhodu v tom, že nepotřebuje další zabezpečení opatření. Poukázal také na to, že rozsáhlé využívání technologie solární energie na Zemi znamená neustálý vývoj, který lze aplikovat na vesmír mise: „Solární energie je rychle se vyvíjející technologie, která kromě toho, že je plně obnovitelná, nabízí snadné použití, přístup a vysokou vyspělost,“ řekl.

Toto rychlé tempo vývoje znamená, že inženýři navrhují panely, ze kterých lze vyrobit ještě více elektřiny stejné množství slunečního světla a Summerer očekává, že budoucí solární systémy budou nadále získávat více účinný.

"Ve vesmíru je efektivita ještě důležitější než na zemi a neustále prosazujeme to, co je technicky možné," řekl Summerer. Relativně malé zvýšení účinnosti a hmotnosti solárních článků může znamenat velký rozdíl v celkových nákladech solárních systémů, zejména u menších plavidel, jako jsou satelity.

Ale jako všechny technologie, i zde existují omezení pro využití solární energie. "Má tu nevýhodu, že je závislý na vnějším zdroji, slunci a všech nevýhodách, které s tím souvisí," řekl Summerer. V mnoha situacích je energie ze slunce pouze přerušovaná. Na planetě s denním a nočním cyklem lze baterie použít k uchování přebytečné energie během dne a její zásobování v noci. Ale to přidává další objemný prvek do energetického systému a také další vrstvu složitosti.

Jedním z futuristických řešení tohoto zvažovaného problému je vývoj sluneční elektrárny na oběžné dráze, který by mohl pracovat v tandemu se solárními panely na povrchu, aby sbíral energii ze slunce a bezdrátově ji vysílal dolů na povrch. ESA je v současnosti hledání konceptů aby se tato myšlenka stala skutečností.

Sluneční světlo na Marsu

Pokud jde konkrétně o Mars, existují určité problémy s používáním solární energie. Jelikož je od Slunce dále než Země, na povrch planety dopadá méně slunečního světla. To znamená, že průzkumníci na Marsu budou mít přístup k přibližně polovině slunečního záření, které by měli na Zemi.

To neznamená, že využití solární energie je na Marsu nemožné, pouze mise musí být velmi opatrné při využívání energie. Předchozí generace Mars roverů NASA, Spirit a Opportunity, využívala solární energii a současné orbitery jako Mars Express a Mars Orbiter Mission jsou také na solární pohon.

Na Marsu je však další problém: Písečné bouře. Mars má složitý meteorologický systém, který občas vede k masivním globálním prachovým bouřím, které dočasně blokují velkou část slunečního světla a pokrývající prakticky vše na planetě vrstvou prachu – včetně slunečního panely. To způsobilo, že neuvěřitelně dlouhotrvající rover Opportunity nakonec potemněl, když se přes planetu v roce 2018 převalila masivní prachová bouře.

Summerer si myslí, že kombinací povrchových a orbitálních solárních elektráren byste pravděpodobně mohli vyrobit dostatek energie pro lidské prostředí. Ale také uznal, že má smysl kombinovat solární energii s jinými zdroji energie, jako je jaderná energie. „Solární energie na povrchu a případně doplněná z oběžné dráhy může poskytnout dostatek energie pro lidská stanoviště na Marsu, ale jak ukázaly nejnovější vozítka, např. jako Perseverance, která právě přistála, někdy malé jaderné zdroje poskytují tak velkou konkurenční výhodu, že bych očekával, že i tyto budou hrát roli,“ napsal.

Výběr správného zdroje energie pro misi

Hernandez-Lugo souhlasil s tím, že všechny druhy energetických systémů pro misi na Mars, včetně solárních, baterií a jaderných, mají potenciální hodnotu. "Elektronický systém bude záviset na konkrétní misi," řekla. Výzkumné centrum NASA Glenn, kde pracuje, je centrum vývoje energie pro NASA a provádí výzkum v širokém měřítku různé možnosti napájení, včetně baterií, solárních článků, radioizotopových systémů, štěpných energetických systémů a regenerativního paliva buňky. Klíčem je vybrat správný zdroj energie pro potřeby mise na základě dostupných zdrojů.

Jaderný systém má zřetelné výhody pro mise lidského bydlení. Za prvé, když chcete navrhnout energetický systém pro použití na Měsíci i na Marsu, jak to dělá NASA, musíte se vypořádat s dvoutýdenními obdobími temnoty na Měsíci.

„Když začnete přemýšlet o tom, jak navrhnete architekturu mise, která vám umožní mít konstantní výkon, pak přichází do hry jaderná energie,“ řekla. "Protože potřebujete spolehlivý systém, který vám během nočních operací poskytne nepřetržité napájení."

Pro Mars je také důležitá nepřetržitá výroba energie, zejména pro bezpečnost tam žijících astronautů. Určitě chcete energetický systém, který bude fungovat za jakýchkoli povětrnostních podmínek, dokonce i v prachovém systému, a jaderná energie to může poskytnout.

Hernandez-Lugo také poukázal na to, že současné mise NASA na Mars, stejně jako Mars 2020, využívají kombinaci obou solárních energie pro vrtulník Ingenuity a jaderná energie pro vozítko Perseverance, aby vyhovovaly konkrétním potřebám mise.

"V současné době se v rámci agentury dívají na pokrok všech různých energetických systémů, aby je měli k dispozici na misích, jako je Měsíc a Mars," řekla. "Takže je tu místo pro všechny energetické systémy."

Tento článek je součástí Život na Marsu — 10dílná série, která zkoumá špičkovou vědu a technologii, která lidem umožní okupovat Mars

Doporučení redakce

• Kosmologické dojíždění: Složitá logistika přivádění lidí na Mars
• Zdokonalování pohonu: Jak dostaneme lidi na Mars
• Hrady z písku: Jak vytvoříme stanoviště s marťanskou půdou
• Sklizeň hydratace: Jak budou budoucí osadníci vytvářet a sbírat vodu na Marsu
• Astrozemědělství: Jak budeme pěstovat plodiny na Marsu