Η δημιουργία μιας ανθρώπινης παρουσίας στον Άρη θα συνοδεύεται από μια τεράστια γκάμα προκλήσεων, πολλές από τις οποίες συνδέονται με μια βασική απαίτηση: την ισχύ. Είτε πρόκειται για δημιουργία οξυγόνου, οδηγώντας ρόβερ, παρέχοντας θερμότητα και φως ή επικοινωνίες, οι μελλοντικοί κάτοικοι του Άρη θα χρειάζονται συνεχή παροχή ηλεκτρικής ενέργειας για να διατηρούνται ασφαλείς και να διατηρούν την αποστολή σε λειτουργία.
Περιεχόμενα
- Πυρηνικοί αντιδραστήρες στο διάστημα
- Η ασφάλεια της πυρηνικής ενέργειας
- Ενέργεια από τον ήλιο
- Το φως του ήλιου στον Άρη
- Επιλέγοντας τη σωστή πηγή ενέργειας για την αποστολή
Ωστόσο, δεν υπάρχει ηλεκτρικό δίκτυο στον Άρη, και οι τρέχουσες λύσεις μπορούν να μας πάνε μέχρι τώρα. Πώς θα μοιάζει λοιπόν το πρώτο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας εκτός πλανήτη; Ήρθαμε σε επαφή με δύο άτομα που εργάζονται στην αιχμή των διαστημικών συστημάτων ισχύος σε δύο διαφορετικούς φορείς για να μάθουμε.
Προτεινόμενα βίντεο
Αυτό το άρθρο είναι μέρος του Ζωή στον Άρη — μια σειρά 10 μερών που εξερευνά την επιστήμη και την τεχνολογία αιχμής που θα επιτρέψει στους ανθρώπους να καταλάβουν τον Άρη
Πυρηνικοί αντιδραστήρες στο διάστημα
Τα σχέδια της NASA για το μέλλον της παραγωγής ενέργειας περιλαμβάνουν συστήματα πυρηνικής σχάσης, στα οποία τα άτομα ουρανίου χωρίζονται μέσα σε έναν αντιδραστήρα για να παράγουν θερμότητα. Σε σύγκριση με τα συστήματα ραδιοϊσοτόπων (RTG) που τροφοδοτούν τα rover όπως το Perseverance, τα συστήματα σχάσης μπορούν παράγουν περισσότερη ισχύ ενώ παραμένει σε μικρό μέγεθος.
Τον Μάρτιο του 2018, το έργο Kilopower του οργανισμού έδειξε ένα πείραμα σχάσης ικανό να παράγει 1 κιλοβάτ ισχύος, το οποίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως βάση για μελλοντικούς διαστημικούς αντιδραστήρες. Το πείραμα, με το παρατσούκλι KRUSTY από τον αντιδραστήρα Kilopower Using Stirling TechnologY, τροφοδοτήθηκε από έναν πυρήνα ουρανίου-235 που περιέγραψε η NASA όσο "περίπου στο μέγεθος ενός ρολού χαρτοπετσέτας". Αυτό παρήγαγε θερμότητα, η οποία στη συνέχεια μετατράπηκε σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω ενός μηχανισμού που ονομάζεται κινητήρας Stirling.
Ένα μελλοντικό σύστημα ισχύος επιφανειών σχάσης θα είναι μικρό και ελαφρύ και θα μπορούσε να λειτουργήσει για τουλάχιστον 10 χρόνια. Αυτό καθιστά την ιδέα ιδανική για μελλοντικές αποστολές στο φεγγάρι και, τελικά, στον Άρη.
Πέρυσι, η NASA, μαζί με το Υπουργείο Ενέργειας, κάλεσε ιδέες από τη βιομηχανία για ένα σύστημα 10 κιλοβάτ. Τέσσερις ή πέντε τέτοιες μονάδες θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν έναν βιότοπο στον Άρη με ό, τι αυτό συνεπάγεται - όπως η παραγωγή οξυγόνου για πυραύλους προωθητικό καθώς και την κάλυψη των αναγκών τριών έως τεσσάρων αστροναυτών, κάτι που εκτιμάται ότι απαιτεί συνολικά περίπου 40 κιλοβάτ.
Η Dionne Hernandez-Lugo ήταν ο διευθυντής έργου για το Kilopower και τώρα είναι ο αναπληρωτής διευθυντής έργου για την επιφανειακή δύναμη σχάσης της NASA επίδειξη τεχνολογίας σελήνης και είπε στο Digital Trends ότι σκοπεύουν να δοκιμάσουν την πρώτη μονάδα στο φεγγάρι εντός του επόμενου δεκαετία.
«Η ιδέα είναι να δείξουμε το σύστημα πρώτα στο φεγγάρι ως μέρος του προγράμματος Artemis», είπε. «Το έργο μας εξετάζει την ανάπτυξη ενός συστήματος 10 κιλοβάτ και την πραγματοποίηση της πρώτης επίδειξης στο φεγγάρι. Αυτό θα μας βοηθούσε να κατανοήσουμε το σύστημα». Μετά από αυτό, θα μπορούσαν να γίνουν τυχόν απαιτούμενες σχεδιαστικές τροποποιήσεις και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μελλοντικές αποστολές στον Άρη.
Το σχέδιο για την πρώτη δοκιμή στο φεγγάρι είναι η μονάδα ισχύος να παραμείνει εντός της σεληνιακής προσγείωσης. Η παραμονή της μονάδας στο προσεδάφιο «βοηθά στις ευκολότερες λειτουργίες του συστήματος αντί να παίρνει την επιπλέον μάζα που θα επέτρεπε την αφαίρεση», εξήγησε. Σε αυτό εργάζεται η ομάδα της. Αλλά ελπίζουν επίσης να δουν ιδέες από τη βιομηχανία σχετικά με το πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει και ένα αφαιρούμενο σύστημα. «Αυτή τη στιγμή, μέσα στην ομάδα μας, η ιδέα είναι να αφήσουμε το σύστημα μέσα στο αεροσκάφος», είπε. «Αλλά υπάρχουν πολλές καινοτομίες εκεί έξω, και αυτή τη στιγμή αναζητούμε αυτές τις καινοτομίες από τη βιομηχανία για να δούμε άλλες επιλογές που θα είχαν».
Μια εσωτερική μελέτη της NASA υπολόγισε ότι κάθε μονάδα 10 κιλοβάτ θα έχει ύψος περίπου έξι μέτρα (19,6 πόδια) και πλάτος πάνω από δύο μέτρα (6,5 πόδια), αν και οι ακριβείς λεπτομέρειες θα εξαρτηθούν από τον τελικό σχεδιασμό. Μια εικόνα ιδέας (παραπάνω) που παρήχθη από τη NASA δείχνει τέσσερις τέτοιες μονάδες συνδεδεμένες μεταξύ τους στην επιφάνεια του Άρη για να παρέχουν ενέργεια για μια βάση εκεί, ώστε να μπορείτε να φανταστείτε πώς μπορεί να μοιάζει ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας στον Άρη.
Η ασφάλεια της πυρηνικής ενέργειας
Ένας παράγοντας με τον οποίο τείνουν να ανησυχούν οι άνθρωποι όταν πρόκειται για τη χρήση πυρηνικής ενέργειας στη Γη είναι η ασφάλεια, και αυτό ισχύει και για τις διαστημικές αποστολές. Τα ραδιενεργά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στους αντιδραστήρες πυρηνικής ενέργειας, όπως το ουράνιο που χρησιμοποιήθηκε στην επίδειξη Kilopower, εκπέμπουν ακτινοβολία που είναι επικίνδυνη για τον άνθρωπο και η οποία μπορεί επίσης να προκαλέσει προβλήματα με τα κοντινά ηλεκτρονικά εξοπλισμός.
Για να διατηρούνται ασφαλείς τόσο οι άνθρωποι όσο και τα ηλεκτρονικά, τα συστήματα ισχύος σχάσης περιβάλλονται από παχιά μεταλλική θωράκιση που περιέχει την ακτινοβολία. Οποιοδήποτε νέο σύστημα ισχύος για μια αποστολή στον Άρη θα υποβληθεί σε εκτεταμένες δοκιμές στη Γη για να βεβαιωθεί ήταν ασφαλής ακόμη και κάτω από ακραίες συνθήκες, όπως λειτουργικές δοκιμές, δοκιμές κενού και δονήσεις δοκιμή.
Ο Hernandez-Lugo επεσήμανε ότι η NASA έχει ήδη εκτοξεύσει περισσότερες από 20 αποστολές στο παρελθόν που χρησιμοποίησαν διάφορους τύπους πυρηνικά συστήματα ενέργειας, «έτσι η NASA έχει τεχνογνωσία και υπόβαθρο στην εκτόξευση συστημάτων πυρηνικής ενέργειας τόσο στη Σελήνη όσο και Αρης."
Υπάρχει επίσης μια ανησυχία για τη χρήση υψηλού εμπλουτισμένου ουρανίου σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, κάτι που χρησιμοποίησε η επίδειξη Kilopower. Αυτό το υλικό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή πυρηνικών όπλων, έτσι ορισμένοι πολιτικοί αρχηγοί ανησυχούν ότι η χρήση του σε διαστημικά έργα θα μπορούσε να ενθαρρύνει τον πολλαπλασιασμό του στη Γη.
Για να αντιμετωπιστούν αυτές οι ανησυχίες, τα μελλοντικά συστήματα επιφανειακής σχάσης θα μπορούσαν να χρησιμοποιούν ουράνιο χαμηλού εμπλουτισμού, το οποίο χρησιμοποιείται συνήθως σε αντιδραστήρες ενέργειας στη Γη και δεν είναι οπλικής ποιότητας. «Τα σχέδια χαμηλού εμπλουτισμένου ουρανίου είναι πολύ ελκυστικά από την άποψη της μειωμένης ρύθμισης και συμμόρφωση με τις πρόσφατες εθνικές οδηγίες για την πυρηνική πολιτική του διαστήματος», έγραψε ο Hernandez-Lugo σε μια συνέχεια ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ. «Η χρήση ουρανίου υψηλής εμπλουτισμού είναι ακόμα δυνατή εάν η αποστολή έχει επικρατούσα ανάγκη».
ο τελευταία οδηγία για τη διαστημική πολιτική, που κυκλοφόρησε από τον Λευκό Οίκο τον περασμένο Δεκέμβριο, επιτρέπει μόνο τη χρήση ουρανίου υψηλής εμπλουτισμού εάν εγκριθεί από διάφορους κρατικούς φορείς και μπορεί να αποδειχθεί ότι είναι ο μόνος τρόπος για να ολοκληρωθεί α αποστολή.
Ενέργεια από τον ήλιο
Ωστόσο, η πυρηνική ενέργεια δεν είναι η μόνη επιλογή για την παραγωγή ενέργειας: Μία από τις πιο κοινές επιλογές ενέργειας που χρησιμοποιούνται για διαστημικές αποστολές αυτή τη στιγμή είναι η ηλιακή ενέργεια. Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) χρησιμοποιεί ηλιακή ενέργεια για όλες σχεδόν τις αποστολές του και το επερχόμενο ρόβερ του Άρη, που ονομάζεται Rosalind Franklin, θα είναι επίσης ηλιακή ενέργεια.
«Στο διάστημα, η αποτελεσματικότητα είναι ακόμη πιο σημαντική από ό, τι στο έδαφος και προωθούμε συνεχώς ό, τι είναι τεχνικά δυνατό».
Ο Leopold Summerer, επικεφαλής της ομάδας Advanced Concepts στην ESA, στην οποία ερευνητές αναδυόμενες τεχνολογίες για διαστημικές αποστολές, είπε Digital Trends σε ένα μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου ότι η ηλιακή ενέργεια έχει ένα πλεονέκτημα έναντι της πυρηνικής ενέργειας στο ότι δεν χρειάζεται πρόσθετη ασφάλεια μέτρα. Τόνισε επίσης ότι η εκτεταμένη χρήση της τεχνολογίας ηλιακής ενέργειας στη Γη σημαίνει συνεχείς εξελίξεις που μπορούν να εφαρμοστούν στο διάστημα αποστολές: «Η ηλιακή ενέργεια είναι μια ταχέως εξελισσόμενη τεχνολογία που προσφέρει εύκολη χρήση, πρόσβαση και υψηλή ωριμότητα, εκτός από το ότι είναι πλήρως ανανεώσιμη», είπε.
Αυτός ο γρήγορος ρυθμός ανάπτυξης σημαίνει ότι οι μηχανικοί σχεδιάζουν πάνελ από τα οποία μπορούν να παράγουν ακόμη περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια την ίδια ποσότητα ηλιακού φωτός, και ο Summerer αναμένει ότι τα μελλοντικά ηλιακά συστήματα θα συνεχίσουν να λαμβάνουν περισσότερα αποτελεσματικός.
«Στο διάστημα, η αποτελεσματικότητα είναι ακόμη πιο σημαντική από ό, τι στο έδαφος και προωθούμε συνεχώς ό, τι είναι τεχνικά δυνατό», είπε ο Summerer. Σχετικά μικρές αυξήσεις στην απόδοση και τη μάζα των ηλιακών κυψελών μπορούν να κάνουν μεγάλη διαφορά στο συνολικό κόστος των ηλιακών συστημάτων, ιδιαίτερα για μικρότερα σκάφη όπως οι δορυφόροι.
Όμως, όπως όλες οι τεχνολογίες, υπάρχουν περιορισμοί στη χρήση της ηλιακής ενέργειας. «Έχει το μειονέκτημα ότι εξαρτάται από μια εξωτερική πηγή, τον ήλιο, και όλα τα μειονεκτήματα που τον συνοδεύουν», είπε ο Σάμερερ. Σε πολλές περιπτώσεις, η ισχύς από τον ήλιο είναι μόνο διακοπτόμενη. Σε έναν πλανήτη με κύκλο ημέρας και νύχτας, οι μπαταρίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποθηκεύσουν υπερβολική ενέργεια κατά τη διάρκεια της ημέρας και να συνεχίσουν να την παρέχουν τη νύχτα. Αλλά αυτό προσθέτει ένα άλλο ογκώδες στοιχείο στο σύστημα ισχύος καθώς και ένα επιπλέον επίπεδο πολυπλοκότητας.
Μια φουτουριστική λύση σε αυτό το πρόβλημα που εξετάζεται είναι η ανάπτυξη του σε τροχιά ηλιακών σταθμών, το οποίο θα μπορούσε να λειτουργεί παράλληλα με ηλιακά πάνελ στην επιφάνεια για να συλλέγει ενέργεια από τον ήλιο και να την εκπέμπει ασύρματα στην επιφάνεια. Η ESA είναι αυτή τη στιγμή αναζητώντας έννοιες για να γίνει πραγματικότητα αυτή η ιδέα.
Το φως του ήλιου στον Άρη
Ωστόσο, όταν πρόκειται για τον Άρη συγκεκριμένα, υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις με τη χρήση της ηλιακής ενέργειας. Καθώς είναι πιο μακριά από τον ήλιο από ό, τι η Γη, λιγότερο ηλιακό φως φτάνει στην επιφάνεια του πλανήτη. Αυτό σημαίνει ότι οι εξερευνητές στον Άρη θα έχουν πρόσβαση στη μισή περίπου ηλιακή ακτινοβολία που θα είχαν στη Γη.
Αυτό δεν σημαίνει ότι η χρήση ηλιακής ενέργειας είναι αδύνατη στον Άρη, απλώς ότι οι αποστολές πρέπει να είναι πολύ προσεκτικές με τη χρήση της ενέργειας τους. Τα προηγούμενα ρομπότ της NASA για τον Άρη, Spirit and Opportunity, χρησιμοποιούσαν ηλιακή ενέργεια και τα τρέχοντα τροχιακά, όπως το Mars Express και το Mars Orbiter Mission, τροφοδοτούνται επίσης με ηλιακή ενέργεια.
Ωστόσο, υπάρχει ένα άλλο πρόβλημα στον Άρη: Καταιγίδες σκόνης. Ο Άρης έχει ένα περίπλοκο καιρικό σύστημα που περιστασιακά έχει ως αποτέλεσμα μαζικές παγκόσμιες καταιγίδες σκόνης, που αποκλείουν προσωρινά μεγάλο μέρος του φωτός του ήλιου και καλύπτει σχεδόν τα πάντα στον πλανήτη σε ένα στρώμα σκόνης – συμπεριλαμβανομένου του ηλιακού πάνελ. Αυτό ήταν που έκανε το απίστευτα μακρόβιο rover Opportunity να σκοτεινιάσει τελικά, όταν μια τεράστια καταιγίδα σκόνης κύλησε σε όλο τον πλανήτη το 2018.
Ο Summerer πιστεύει ότι συνδυάζοντας επιφανειακά και τροχιακά ηλιακά εργοστάσια, πιθανότατα θα μπορούσατε να δημιουργήσετε αρκετή ενέργεια για έναν ανθρώπινο βιότοπο. Αλλά αναγνώρισε επίσης ότι υπάρχει αξία στον συνδυασμό της ηλιακής ενέργειας με άλλες πηγές ενέργειας όπως η πυρηνική. «Η ηλιακή ενέργεια στην επιφάνεια και τελικά συμπληρωμένη από την τροχιά μπορεί να παρέχει αρκετή ισχύ για τα ανθρώπινα ενδιαιτήματα στον Άρη, αλλά όπως αποδεικνύεται από τα πιο πρόσφατα ρόβερ, όπως καθώς η επιμονή που μόλις προσγειώθηκε, μερικές φορές οι μικρές πηγές πυρηνικής ενέργειας παρέχουν ένα τόσο μεγάλο ανταγωνιστικό πλεονέκτημα που θα περίμενα να παίξουν επίσης ρόλο», είπε. έγραψε.
Επιλέγοντας τη σωστή πηγή ενέργειας για την αποστολή
Ο Hernandez-Lugo συμφώνησε ότι υπάρχει πιθανή αξία σε όλα τα είδη συστημάτων ενέργειας για μια αποστολή στον Άρη, συμπεριλαμβανομένων των ηλιακών, των μπαταριών και των πυρηνικών. «Το σύστημα ισχύος θα εξαρτηθεί από τη συγκεκριμένη αποστολή», είπε. Το Ερευνητικό Κέντρο Glenn της NASA, όπου εργάζεται, είναι το κέντρο ανάπτυξης ενέργειας για τη NASA και διεξάγει έρευνα σε ποικιλία επιλογών ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων μπαταριών, ηλιακών κυψελών, συστημάτων ραδιοϊσοτόπων, συστημάτων ισχύος σχάσης και αναγεννητικών καυσίμων κύτταρα. Το κλειδί είναι να επιλέξετε τη σωστή πηγή ενέργειας για τις ανάγκες της αποστολής, με βάση τους διαθέσιμους πόρους.
Υπάρχουν σαφή πλεονεκτήματα σε ένα πυρηνικό σύστημα για αποστολές ανθρώπινης κατοίκησης. Πρώτον, όταν θέλετε να σχεδιάσετε ένα σύστημα ισχύος για χρήση τόσο στο φεγγάρι όσο και στον Άρη, όπως κάνει η NASA, τότε πρέπει να αντιμετωπίσετε τις περιόδους σκότους δύο εβδομάδων στο φεγγάρι.
«Όταν αρχίζετε να σκέφτεστε πώς σχεδιάζετε μια αρχιτεκτονική αποστολής που σας επιτρέπει να έχετε σταθερή ισχύ, τότε είναι που μπαίνει στο παιχνίδι η πυρηνική ενέργεια», είπε. "Επειδή χρειάζεστε ένα αξιόπιστο σύστημα που θα σας παρέχει συνεχή ισχύ κατά τη διάρκεια αυτών των νυχτερινών λειτουργιών."
Για τον Άρη, η συνεχής παραγωγή ενέργειας είναι επίσης σημαντική, ειδικά για την ασφάλεια των αστροναυτών που ζουν εκεί. Σίγουρα θέλετε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας που θα συνεχίσει να λειτουργεί υπό οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες, ακόμη και κατά τη διάρκεια ενός συστήματος σκόνης, και η πυρηνική ενέργεια μπορεί να το προσφέρει αυτό.
Ο Hernandez-Lugo επεσήμανε επίσης ότι οι τρέχουσες αποστολές της NASA στον Άρη, όπως ο Άρης 2020, χρησιμοποιούν συνδυασμό και των δύο ηλιακών ισχύς για το ελικόπτερο Ingenuity και πυρηνική ισχύς για το ρόβερ Perseverance, για να ταιριάζει στις ιδιαίτερες ανάγκες του αποστολή.
«Αυτή τη στιγμή, εντός του οργανισμού, εξετάζουν την προώθηση όλων των διαφορετικών συστημάτων ενέργειας για να τα έχουν διαθέσιμα σε αποστολές όπως το φεγγάρι και ο Άρης», είπε. «Έτσι υπάρχει χώρος για όλα τα συστήματα ισχύος».
Αυτό το άρθρο είναι μέρος του Ζωή στον Άρη — μια σειρά 10 μερών που εξερευνά την επιστήμη και την τεχνολογία αιχμής που θα επιτρέψει στους ανθρώπους να καταλάβουν τον Άρη
Συστάσεις των συντακτών
- Μια κοσμολογική μετακίνηση: Τα δύσκολα logistics του να βάζεις ανθρώπους στον Άρη
- Τελειοποιώντας την πρόωση: Πώς θα φτάσουμε τους ανθρώπους στον Άρη
- Κάστρα από άμμο: Πώς θα φτιάξουμε βιότοπους με αρειανό έδαφος
- Συγκομιδή ενυδάτωσης: Πώς οι μελλοντικοί άποικοι θα δημιουργήσουν και θα συλλέξουν νερό στον Άρη
- Αστρογεωργία: Πώς θα καλλιεργήσουμε καλλιέργειες στον Άρη
