At etablere en menneskelig tilstedeværelse på Mars vil komme med en lang række udfordringer, hvoraf mange er forbundet med et væsentligt krav: magt. Om det er til skabe ilt, kører rovere, leverer varme og lys eller kommunikation, vil fremtidige Mars-beboere have brug for en konstant forsyning af elektricitet for at holde dem sikre og holde missionen kørende.
Indhold
- Atomreaktorer i rummet
- Atomkraftens sikkerhed
- Energi fra solen
- Sollyset på Mars
- At vælge den rigtige strømkilde til missionen
Der er dog ikke noget strømnet på Mars, og nuværende løsninger kan kun bringe os så langt. Så hvordan vil det første off-planet kraftværk se ud? Vi kom i kontakt med to personer, der arbejder på forkant med rumkraftsystemer i to forskellige agenturer for at finde ud af det.
Anbefalede videoer
Denne artikel er en del af Livet på Mars — en serie i 10 dele, der udforsker den banebrydende videnskab og teknologi, der vil give mennesker mulighed for at indtage Mars
Atomreaktorer i rummet
NASAs planer for fremtiden for elproduktion omfatter nukleare fissionssystemer, hvor uranatomer spaltes inde i en reaktor for at generere varme. Sammenlignet med de radioisotopsystemer (RTG'er), som driver rovere som Perseverance, kan fissionssystemer
producere mere strøm mens du stadig holder dig i en lille størrelse.I marts 2018 demonstrerede agenturets Kilopower-projekt et fissionseksperiment, der kunne producere 1 kilowatt strøm, som kunne bruges som grundlag for fremtidige rumreaktorer. Eksperimentet, med tilnavnet KRUSTY efter Kilopower Reactor Using Stirling TechnologiY, blev drevet af en kerne af uran-235, som NASA beskrevet som "på størrelse med en papirhåndklæderulle." Dette genererede varme, som derefter blev omdannet til elektricitet gennem en mekanisme kaldet en Stirling-motor.
Et fremtidigt fissionsoverfladekraftsystem vil være lille og let og kunne køre i mindst 10 år. Det gør konceptet ideelt til fremtidige missioner til månen og i sidste ende til Mars.
Sidste år inviterede NASA sammen med Department of Energy ideer fra industrien til et 10-kilowatt-system. Fire eller fem sådanne enheder kunne drive et Mars-habitat med alt hvad det indebærer - som produktion af ilt til raket drivmiddel samt opfylder tre til fire astronauters behov, hvilket skønnes at kræve i alt ca. 40 kilowatt.
Dionne Hernandez-Lugo var projektleder for Kilopower og er nu viceprojektleder for NASAs fissionsoverfladekraft demonstration af måneteknologi, og hun fortalte Digital Trends, at de agter at teste den første enhed på månen inden for den næste årti.
"Idéen er at demonstrere systemet først på månen som en del af Artemis-programmet," sagde hun. "Vores projekt ser på at udvikle et 10-kilowatt-system og lave den første demonstration på månen. Det ville hjælpe os med at forstå systemet." Herefter kunne alle nødvendige designændringer foretages, og det kunne bruges i fremtidige missioner til Mars.
Planen for den første test på månen er, at kraftenheden skal forblive inden for månelanderen. At efterlade enheden i landeren "hjælper med lettere betjening af systemet i stedet for at tage den ekstra masse, der ville give mulighed for fjernelse," forklarede hun. Det er det, hendes team arbejder på. Men de håber også at se ideer fra industrien om, hvordan et flytbart system også kunne fungere. "Lige nu, inden for vores gruppe, er ideen at lade systemet blive i landeren," sagde hun. "Men der er mange innovationer derude, og på nuværende tidspunkt søger vi disse innovationer fra industrien for at se andre muligheder, som de ville have."
En intern NASA-undersøgelse vurderede, at hver 10-kilowatt-enhed vil være omkring seks meter (19,6 fod) høj og over to meter (6,5 fod) bred, selvom de nøjagtige detaljer vil afhænge af det endelige design. Et konceptbillede (ovenfor) produceret af NASA viser fire sådanne enheder forbundet sammen på overfladen af Mars for at give strøm til en base der, så du kan forestille dig, hvordan et kraftværk fra Mars kan se ud.
Atomkraftens sikkerhed
En faktor, som folk har en tendens til at være bekymrede over, når det kommer til at bruge atomkraft på Jorden, er sikkerhed, og det gælder også for rummissioner. De radioaktive grundstoffer, der bruges i atomkraftreaktorer, som uran brugt i Kilopower-demonstrationen, afgive stråling, der er farlig for mennesker, og som også kan give problemer med nærliggende elektronisk udstyr.
For at holde både mennesker og elektronik sikker, er fissionskraftsystemer omgivet af tyk metalafskærmning, som indeholder strålingen. Ethvert nyt strømsystem til en Mars-mission ville blive underkastet omfattende test på Jorden for at sikre det var sikker selv under ekstreme forhold, såsom driftstest, vakuumtest og vibration afprøvning.
Hernandez-Lugo påpegede, at NASA allerede har lanceret over 20 missioner i fortiden, som brugte forskellige typer af atomkraftsystemer, "så NASA har ekspertise og baggrund i at opsende atomkraftsystemer både til månen og Mars."
Der er også en bekymring over brugen af højt beriget uran i kraftsystemer, hvilket er, hvad Kilopower-demonstrationen brugte. Dette materiale kan også bruges til at lave atomvåben, så nogle politiske ledere er bekymrede at brug af det i rumprojekter kan tilskynde til dets spredning på Jorden.
For at imødegå disse bekymringer kan fremtidige overfladefissionssystemer bruge lavt beriget uran i stedet, som er almindeligt anvendt i kraftreaktorer på Jorden og ikke er af våbenkvalitet. "Designer med lavt beriget uran er meget attraktive set i forhold til reduceret regulering og overholdelse af de seneste nationale nukleare rumpolitiske direktiver,” skrev Hernandez-Lugo i en opfølgning e-mail. "Brugen af højt beriget uran er stadig mulig, hvis missionen har et fremherskende behov."
Det seneste rumpolitiske direktiv, udgivet af Det Hvide Hus i december sidste år, tillader kun brugen af højt beriget uran hvis det er godkendt af forskellige statslige organer, og det kan påvises at være den eneste måde at fuldføre en mission.
Energi fra solen
Atomkraft er dog ikke den eneste mulighed for elproduktion: En af de mest almindelige strømmuligheder, der bruges til rummissioner lige nu, er solenergi. Den Europæiske Rumorganisation (ESA) bruger solenergi til praktisk talt alle sine missioner, og dens kommende Mars-rover, kaldet Rosalind Franklin, vil også være soldrevet.
"I rummet er effektivitet endnu vigtigere end på jorden, og vi presser konstant på, hvad der er teknisk muligt."
Leopold Summerer, leder af Advanced Concepts Team hos ESA, som forskere nye teknologier til rummissioner, fortalte Digitale tendenser i en e-mail om, at solenergi har en fordel i forhold til atomkraft, idet den ikke har brug for yderligere sikkerhed foranstaltninger. Han påpegede også, at omfattende brug af solenergiteknologi på Jorden betyder konstant udvikling, som kan anvendes i rummet missioner: "Solenergi er en teknologi i hurtig udvikling, der tilbyder nem brug, adgang og høj modenhed ud over at være fuldt vedvarende," han sagde.
Denne hurtige udvikling betyder, at ingeniører designer paneler, der kan producere endnu mere elektricitet fra samme mængde sollys, og Summerer forventer, at fremtidige solsystemer fortsat vil få mere effektiv.
"I rummet er effektivitet endnu vigtigere end på jorden, og vi presser konstant på, hvad der er teknisk muligt," sagde Summerer. Relativt små stigninger i effektiviteten og massen af solceller kan gøre en stor forskel i de samlede omkostninger ved solsystemer, især for mindre fartøjer som satellitter.
Men som alle teknologier er der begrænsninger på brugen af solenergi. "Det har den ulempe, at det er afhængigt af en ekstern kilde, solen og alle de ulemper, der følger med det," sagde Summerer. I mange situationer er strøm fra solen kun intermitterende. På en planet med en dag- og natcyklus kan batterier bruges til at lagre overskydende strøm i løbet af dagen og fortsætte med at forsyne den om natten. Men dette tilføjer endnu et omfangsrigt element til strømsystemet samt et ekstra lag af kompleksitet.
En futuristisk løsning på dette problem, der overvejes, er udviklingen af kredsende solcelleanlæg, som kunne arbejde sammen med solcellepaneler på overfladen for at indsamle energi fra solen og sende den trådløst ned til overfladen. ESA er pt søger koncepter at gøre denne idé til virkelighed.
Sollyset på Mars
Når det kommer til Mars specifikt, er der dog nogle udfordringer med at bruge solenergi. Da det er længere væk fra solen, end Jorden er, når mindre sollys planetens overflade. Det betyder, at opdagelsesrejsende på Mars vil have adgang til omkring halvdelen af den solindstråling, de ville have på Jorden.
Det betyder ikke, at det er umuligt at bruge solenergi på Mars, bare at missioner skal være meget forsigtige med deres strømforbrug. NASAs tidligere generation af Mars-rovere, Spirit and Opportunity, brugte solenergi, og nuværende orbitere som Mars Express og Mars Orbiter Mission er også soldrevne.
Der er dog et andet problem på Mars: Støvstorme. Mars har et komplekst vejrsystem, der lejlighedsvis resulterer i massive globale støvstorme, der midlertidigt blokerer ud meget af solens lys og dækker stort set alt på planeten i et lag af støv - inklusive sol paneler. Det var det, der fik den utroligt langlivede Opportunity-rover til at blive mørk, da en massiv støvstorm rullede hen over planeten i 2018.
Summerer mener, at ved at kombinere overflade- og orbitale solenergianlæg, kan du sandsynligvis generere nok strøm til et menneskeligt levested. Men han anerkendte også, at der er værdi i at kombinere solenergi med andre strømkilder som atomkraft. "Solenergi på overfladen og til sidst suppleret fra kredsløb kan give nok strøm til menneskelige levesteder på Mars, men som demonstreret af de seneste rovere, f.eks. som vedholdenhed, der lige er landet, giver nogle gange små atomkraftkilder så stor en konkurrencefordel, at jeg ville forvente, at disse også ville spille en rolle,” han skrev.
At vælge den rigtige strømkilde til missionen
Hernandez-Lugo var enig i, at der er potentiel værdi i alle slags strømsystemer til en Mars-mission, inklusive solenergi, batterier og atomkraft. "Strømsystemet kommer til at afhænge af den specifikke mission," sagde hun. NASAs Glenn Research Center, hvor hun arbejder, er kraftudviklingscenter for NASA og udfører forskning i et bredt forskellige strømmuligheder, herunder batterier, solceller, radioisotopsystemer, fissionskraftsystemer og regenerativt brændstof celler. Nøglen er at vælge den rigtige strømkilde til missionens behov baseret på de tilgængelige ressourcer.
Der er klare fordele ved et atomsystem til menneskelige beboelsesmissioner. For det første, når du vil designe et strømsystem til brug både på månen og på Mars, som NASA gør, så skal du håndtere de to uger lange perioder med mørke på månen.
"Når du begynder at tænke på, hvordan du designer en missionsarkitektur, der giver dig mulighed for at have konstant strøm, så er det, når nuklear kommer i spil," sagde hun. "Fordi du har brug for et pålideligt system, der vil give dig kontinuerlig strøm under disse natoperationer."
For Mars er kontinuerlig generering af strøm også vigtig, især for sikkerheden for astronauter, der bor der. Du vil helt sikkert have et strømsystem, der vil blive ved med at fungere under alle vejrforhold, selv under et støvsystem, og det kan atomkraft sørge for.
Hernandez-Lugo påpegede også, at nuværende NASA-missioner til Mars, ligesom Mars 2020, bruger en kombination af både solenergi kraft til Ingenuity-helikopteren og atomkraft til Perseverance-roveren, for at passe til de særlige behov hos mission.
"På dette tidspunkt, inden for agenturet, kigger de på at fremme alle forskellige strømsystemer for at have dem tilgængelige på missioner som månen og Mars," sagde hun. "Så der er plads til alle strømsystemer."
Denne artikel er en del af Livet på Mars — en serie i 10 dele, der udforsker den banebrydende videnskab og teknologi, der vil give mennesker mulighed for at indtage Mars
Redaktørernes anbefalinger
- En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistik ved at sætte mennesker på Mars
- Perfektion af fremdrift: Hvordan vi får mennesker til Mars
- Slotte lavet af sand: Hvordan vi laver levesteder med Marsjord
- Høsthydrering: Hvordan fremtidige bosættere vil skabe og samle vand på Mars
- Astrolandbrug: Hvordan vi dyrker afgrøder på Mars
