Außerirdische Energie: Wie wir auf dem Mars Strom erzeugen

Der Aufbau einer menschlichen Präsenz auf dem Mars wird eine Vielzahl von Herausforderungen mit sich bringen, von denen viele mit einer wesentlichen Voraussetzung verbunden sind: Energie. Ob es für ist Sauerstoff erzeugenOb sie Rover antreiben, Wärme und Licht bereitstellen oder kommunizieren – künftige Marsbewohner werden eine ständige Stromversorgung benötigen, um ihre Sicherheit zu gewährleisten und die Mission am Laufen zu halten.

Allerdings gibt es auf dem Mars kein Stromnetz und aktuelle Lösungen können uns nur begrenzt weit bringen. Wie wird also das erste Kraftwerk außerhalb des Planeten aussehen? Um das herauszufinden, haben wir Kontakt zu zwei Leuten aufgenommen, die in zwei verschiedenen Behörden an der Spitze der Raumfahrtenergiesysteme arbeiten.

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars – eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen

Kernreaktoren im Weltraum

Zu den Plänen der NASA für die Zukunft der Stromerzeugung gehören Kernspaltungssysteme, bei denen Uranatome in einem Reaktor gespalten werden, um Wärme zu erzeugen. Im Vergleich zu den Radioisotopensystemen (RTGs), die Rover wie Perseverance antreiben, können Spaltsysteme dies tun mehr Leistung produzieren und dennoch klein bleiben.

Im März 2018 demonstrierte das Kilopower-Projekt der Agentur ein Spaltexperiment, mit dem 1 Kilowatt Strom erzeugt werden kann, der als Grundlage für zukünftige Weltraumreaktoren dienen könnte. Das Experiment mit dem Spitznamen KRUSTY nach dem Kilopower-Reaktor mit Stirling-Technologie wurde von einem Kern aus Uran-235 angetrieben NASA beschrieben als „ungefähr so ​​groß wie eine Papierhandtuchrolle“. Dadurch wurde Wärme erzeugt, die dann durch einen Mechanismus namens Stirlingmotor in Elektrizität umgewandelt wurde.

Ein zukünftiges Spaltungs-Oberflächenenergiesystem wird klein und leicht sein und könnte mindestens 10 Jahre lang laufen. Das macht das Konzept ideal für zukünftige Missionen zum Mond und schließlich zum Mars.

Letztes Jahr lud die NASA zusammen mit dem Energieministerium Ideen aus der Industrie für ein 10-Kilowatt-System ein. Vier oder fünf solcher Einheiten könnten einen Marslebensraum mit allem versorgen, was dazu gehört – etwa der Produktion von Sauerstoff für Raketen Treibstoff sowie den Bedarf von drei bis vier Astronauten, was schätzungsweise insgesamt etwa 40 Kilowatt.

Dionne Hernandez-Lugo war Projektmanagerin für Kilopower und ist jetzt stellvertretende Projektmanagerin für die Kernspaltungsenergie der NASA Demonstration der Mondtechnologie, und sie sagte gegenüber Digital Trends, dass sie beabsichtigen, das erste Gerät im nächsten Jahr auf dem Mond zu testen Jahrzehnt.

„Die Idee ist, das System im Rahmen des Artemis-Programms zunächst auf dem Mond zu demonstrieren“, sagte sie. „Unser Projekt sieht die Entwicklung eines 10-Kilowatt-Systems und die erste Demonstration auf dem Mond vor. Das würde uns helfen, das System zu verstehen.“ Danach könnten alle erforderlichen Designänderungen vorgenommen werden und es könnte bei zukünftigen Missionen zum Mars verwendet werden.

Für den ersten Test auf dem Mond ist geplant, dass das Triebwerk im Mondlander verbleibt. Das Belassen der Einheit im Lander „hilft bei der einfacheren Bedienung des Systems, anstatt die zusätzliche Masse zu verbrauchen, die eine Entfernung ermöglichen würde“, erklärte sie. Daran arbeitet ihr Team. Sie hoffen aber auch auf Ideen aus der Industrie, wie ein Wechselsystem ebenfalls funktionieren könnte. „Derzeit besteht in unserer Gruppe die Idee, das System im Lander zu belassen“, sagte sie. „Aber es gibt da draußen viele Innovationen, und derzeit suchen wir diese Innovationen aus der Industrie, um andere Optionen zu sehen, die sie haben würden.“

Eine interne NASA-Studie schätzte, dass jede 10-Kilowatt-Einheit etwa sechs Meter (19,6 Fuß) hoch und über zwei Meter (6,5 Fuß) breit sein wird, obwohl die genauen Details vom endgültigen Design abhängen würden. Ein von der NASA erstelltes Konzeptbild (oben) zeigt vier solcher Einheiten, die auf der Marsoberfläche miteinander verbunden sind, um dort Strom für eine Basis zu liefern, sodass Sie sich vorstellen können, wie ein Marskraftwerk aussehen könnte.

Die Sicherheit der Atomkraft

Ein Faktor, der den Menschen bei der Nutzung der Kernenergie auf der Erde oft am Herzen liegt, ist die Sicherheit, und das gilt auch für Weltraummissionen. Die in Kernreaktoren verwendeten radioaktiven Elemente, wie das bei der Kilopower-Demonstration verwendete Uran, Geben Strahlung ab, die für den Menschen gefährlich ist und auch Probleme mit der umliegenden Elektronik verursachen kann Ausrüstung.

Um die Sicherheit von Mensch und Elektronik zu gewährleisten, sind Kernspaltungsenergiesysteme von einer dicken Metallabschirmung umgeben, die die Strahlung eindämmt. Jedes neue Energiesystem für eine Marsmission würde auf der Erde umfangreichen Tests unterzogen, um sicherzustellen, dass es funktioniert war auch unter extremen Bedingungen wie Betriebstests, Vakuumtests und Vibrationen sicher testen.

Hernandez-Lugo wies darauf hin, dass die NASA in der Vergangenheit bereits über 20 Missionen gestartet habe, bei denen verschiedene Arten von Raketen zum Einsatz kamen Kernenergiesysteme, „daher verfügt die NASA über Fachwissen und Erfahrung beim Start von Atomenergiesystemen sowohl zum Mond als auch zum Mond.“ Mars."

Es gibt auch Bedenken hinsichtlich der Verwendung von hochangereichertem Uran in Energiesystemen, das bei der Kilopower-Demonstration verwendet wurde. Dieses Material kann also auch zur Herstellung von Atomwaffen verwendet werden Einige politische Führer sind besorgt dass der Einsatz in Weltraumprojekten seine Verbreitung auf der Erde fördern könnte.

Um diese Bedenken auszuräumen, könnten künftige Oberflächenspaltungssysteme stattdessen niedrig angereichertes Uran verwenden, das üblicherweise in Leistungsreaktoren auf der Erde verwendet wird und nicht waffenfähig ist. „Entwürfe für niedrig angereichertes Uran sind aus der Perspektive einer geringeren Regulierung sehr attraktiv Einhaltung der jüngsten nationalen Richtlinien zur nuklearen Weltraumpolitik“, schrieb Hernandez-Lugo in einem Follow-up Email. „Der Einsatz von hochangereichertem Uran ist weiterhin möglich, wenn bei der Mission ein überwiegender Bedarf besteht.“

Der neueste weltraumpolitische RichtlinieDas vom Weißen Haus im Dezember letzten Jahres veröffentlichte Gesetz erlaubt nur die Verwendung von hochangereichertem Uran wenn es von verschiedenen Regierungsstellen genehmigt wird und nachgewiesen werden kann, dass es die einzige Möglichkeit ist, eine abzuschließen Mission.

Sonnenenergie

Kernenergie ist jedoch nicht die einzige Option zur Stromerzeugung: Eine der derzeit am häufigsten für Weltraummissionen verwendeten Energieoptionen ist Solarenergie. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) nutzt für praktisch alle ihre Missionen Solarenergie, und auch ihr kommender Marsrover namens Rosalind Franklin wird solarbetrieben sein.

Leopold Summerer, Leiter des Advanced Concepts Teams bei der ESA, das neue Technologien für Weltraummissionen erforscht, sagte Digital Trends in einer E-Mail, dass Solarenergie gegenüber Atomkraft den Vorteil hat, dass keine zusätzliche Sicherheit erforderlich ist Mittel. Er wies auch darauf hin, dass die umfassende Nutzung der Solarenergietechnologie auf der Erde ständige Weiterentwicklungen bedeute, die auch auf den Weltraum übertragen werden könnten Missionen: „Solarenergie ist eine sich schnell entwickelnde Technologie, die einfache Nutzung, Zugang und hohe Reife bietet und darüber hinaus vollständig erneuerbar ist“, sagte er genannt.

Dieses schnelle Entwicklungstempo bedeutet, dass Ingenieure Panels entwerfen, mit denen noch mehr Strom erzeugt werden kann die gleiche Menge Sonnenlicht, und Summerer geht davon aus, dass zukünftige Solarsysteme weiterhin mehr davon erhalten werden effizient.

„Im Weltraum ist Effizienz noch wichtiger als am Boden und wir treiben ständig das technisch Mögliche voran“, sagte Summerer. Relativ kleine Steigerungen der Effizienz und Masse von Solarzellen können einen großen Unterschied bei den Gesamtkosten von Solarsystemen machen, insbesondere bei kleineren Fahrzeugen wie Satelliten.

Doch wie bei allen Technologien gibt es auch bei der Nutzung von Solarenergie Einschränkungen. „Es hat den Nachteil, dass es von einer externen Quelle, der Sonne, abhängig ist und alle damit verbundenen Nachteile mit sich bringt“, sagte Summerer. In vielen Situationen ist die Sonnenenergie nur zeitweise verfügbar. Auf einem Planeten mit einem Tag-Nacht-Zyklus können Batterien genutzt werden, um tagsüber überschüssigen Strom zu speichern und ihn nachts weiter bereitzustellen. Dies fügt dem Energiesystem jedoch ein weiteres sperriges Element und eine zusätzliche Ebene der Komplexität hinzu.

Eine zukünftige Lösung für dieses Problem, die derzeit in Betracht gezogen wird, ist die Entwicklung von umlaufende Solarkraftwerke, das zusammen mit Solarmodulen auf der Oberfläche Energie von der Sonne sammeln und drahtlos an die Oberfläche senden könnte. ESA ist derzeit Suche nach Konzepten um diese Idee Wirklichkeit werden zu lassen.

Das Sonnenlicht auf dem Mars

Wenn es jedoch speziell um den Mars geht, gibt es bei der Nutzung von Solarenergie einige Herausforderungen. Da er weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde, erreicht weniger Sonnenlicht die Planetenoberfläche. Das bedeutet, dass Forscher auf dem Mars Zugang zu etwa der Hälfte der Sonneneinstrahlung haben wie auf der Erde.

Das bedeutet nicht, dass die Nutzung von Solarenergie auf dem Mars unmöglich ist, sondern nur, dass Missionen beim Stromverbrauch sehr vorsichtig sein müssen. Die Marsrover der vorherigen Generation der NASA, Spirit und Opportunity, nutzten Solarenergie, und aktuelle Orbiter wie Mars Express und die Mars Orbiter Mission sind ebenfalls solarbetrieben.

Allerdings gibt es auf dem Mars noch ein weiteres Problem: Sandstürme. Der Mars verfügt über ein komplexes Wettersystem, das gelegentlich zu massiven globalen Staubstürmen führt, die ihn vorübergehend blockieren Sie absorbiert einen Großteil des Sonnenlichts und bedeckt praktisch alles auf dem Planeten mit einer Staubschicht – auch die Sonne Paneele. Dies führte dazu, dass der unglaublich langlebige Rover Opportunity schließlich dunkel wurde, als 2018 ein gewaltiger Staubsturm über den Planeten rollte.

Summerer glaubt, dass man durch die Kombination von Oberflächen- und Orbital-Solarkraftwerken wahrscheinlich genug Strom für einen menschlichen Lebensraum erzeugen könnte. Er räumte aber auch ein, dass es sinnvoll sei, Solarenergie mit anderen Energiequellen wie der Kernenergie zu kombinieren. „Solarenergie auf der Oberfläche und schließlich ergänzt aus der Umlaufbahn kann ausreichend Energie für menschliche Lebensräume auf dem Mars liefern, aber wie die neuesten Rover zeigen, wie z Wie Perseverance, das gerade gelandet ist, bieten kleine Kernenergiequellen manchmal einen so großen Wettbewerbsvorteil, dass ich erwarten würde, dass diese auch eine Rolle spielen“, sagt er schrieb.

Auswahl der richtigen Energiequelle für die Mission

Hernandez-Lugo stimmte zu, dass alle Arten von Energiesystemen für eine Mars-Mission einen potenziellen Wert hätten, darunter Solar-, Batterie- und Kernenergiesysteme. „Das Energiesystem wird von der jeweiligen Mission abhängen“, sagte sie. Das Glenn Research Center der NASA, an dem sie arbeitet, ist das Energieentwicklungszentrum der NASA und führt Forschungen in einem breiten Spektrum durch Eine Vielzahl von Energieoptionen, darunter Batterien, Solarzellen, Radioisotopensysteme, Spaltungsenergiesysteme und regenerativer Kraftstoff Zellen. Der Schlüssel liegt darin, basierend auf den verfügbaren Ressourcen die richtige Energiequelle für die Anforderungen der Mission auszuwählen.

Für Missionen zur Besiedlung von Menschen bietet ein Nuklearsystem eindeutige Vorteile. Wenn man wie die NASA ein Energiesystem für den Einsatz sowohl auf dem Mond als auch auf dem Mars entwerfen möchte, muss man sich zunächst mit den zweiwöchigen Dunkelheitsperioden auf dem Mond auseinandersetzen.

„Wenn man darüber nachdenkt, wie man eine Missionsarchitektur entwerfen kann, die eine konstante Stromversorgung ermöglicht, dann kommt die Kernenergie ins Spiel“, sagte sie. „Weil Sie ein zuverlässiges System benötigen, das Ihnen während des Nachtbetriebs kontinuierlich Strom liefert.“

Auch für den Mars ist die kontinuierliche Stromerzeugung wichtig, insbesondere für die Sicherheit der dort lebenden Astronauten. Sie wünschen sich auf jeden Fall ein Energiesystem, das bei allen Wetterbedingungen weiter funktioniert, selbst bei Staubentwicklung, und die Kernenergie kann dies leisten.

Hernandez-Lugo wies auch darauf hin, dass aktuelle NASA-Missionen zum Mars, wie etwa Mars 2020, eine Kombination beider Sonnenenergie nutzen Energie für den Ingenuity-Hubschrauber und Kernkraft für den Perseverance-Rover, um den besonderen Bedürfnissen der zu entsprechen Mission.

„Derzeit erwägen sie innerhalb der Agentur die Weiterentwicklung aller verschiedenen Energiesysteme, um sie für Missionen wie den Mond und den Mars verfügbar zu machen“, sagte sie. „Es gibt also einen Platz für alle Energiesysteme.“

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars – eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen

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