Establecer una presencia humana en Marte vendrá con una gran variedad de desafíos, muchos de los cuales están vinculados a un requisito esencial: poder. Ya sea para creando oxigeno, conducir rovers, proporcionar calefacción y luz, o comunicaciones, los futuros residentes de Marte necesitarán un suministro constante de electricidad para mantenerse a salvo y mantener la misión en marcha.
Contenido
- Reactores nucleares en el espacio
- La seguridad de la energía nuclear
- Energia del sol
- La luz del sol en Marte
- Elegir la fuente de energía adecuada para la misión
Sin embargo, no hay red eléctrica en Marte, y las soluciones actuales solo pueden llevarnos hasta cierto punto. Entonces, ¿cómo será la primera planta de energía fuera del planeta? Nos pusimos en contacto con dos personas que trabajan en la vanguardia de los sistemas de energía espacial en dos agencias diferentes para averiguarlo.
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Este artículo es parte de Vida en Marte — una serie de 10 partes que explora la ciencia y la tecnología de vanguardia que permitirán a los humanos ocupar Marte
Reactores nucleares en el espacio
Los planes de la NASA para el futuro de la generación de energía incluyen sistemas de fisión nuclear, en los que los átomos de uranio se dividen dentro de un reactor para generar calor. En comparación con los sistemas de radioisótopos (RTG) que alimentan a los rovers como Perseverance, los sistemas de fisión pueden producir más energía mientras se mantiene en un tamaño pequeño.
En marzo de 2018, el proyecto Kilopower de la agencia demostró un experimento de fisión capaz de producir 1 kilovatio de potencia, que podría usarse como base para futuros reactores espaciales. El experimento, apodado KRUSTY en honor al Reactor Kilopower con Tecnología Stirling, estaba alimentado por un núcleo de uranio-235 que La NASA describió como "aproximadamente del tamaño de un rollo de toallas de papel". Esto generó calor, que luego se convirtió en electricidad a través de un mecanismo llamado motor Stirling.
Un futuro sistema de energía de superficie de fisión será pequeño y liviano y podría funcionar durante al menos 10 años. Eso hace que el concepto sea ideal para futuras misiones a la Luna y, eventualmente, a Marte.
El año pasado, la NASA, junto con el Departamento de Energía, invitó ideas de la industria para un sistema de 10 kilovatios. Cuatro o cinco de esas unidades podrían alimentar un hábitat de Marte con todo lo que eso implica, como la producción de oxígeno para cohetes. propulsor, además de satisfacer las necesidades de tres o cuatro astronautas, lo que se estima que requerirá un total de alrededor de 40 kilovatios.
Dionne Hernandez-Lugo fue directora de proyectos de Kilopower y ahora es directora adjunta de proyectos de energía superficial de fisión de la NASA. demostración de tecnología lunar, y le dijo a Digital Trends que tienen la intención de probar la primera unidad en la luna dentro de los próximos década.
“La idea es demostrar el sistema primero en la luna como parte del programa Artemis”, dijo. “Nuestro proyecto busca desarrollar un sistema de 10 kilovatios y hacer la primera demostración en la luna. Eso nos ayudaría a entender el sistema”. Después de esto, se podrían realizar las modificaciones de diseño necesarias y se podría utilizar en futuras misiones a Marte.
El plan para la primera prueba en la luna es que la unidad de potencia permanezca dentro del módulo de aterrizaje lunar. Dejar la unidad en el módulo de aterrizaje "ayuda a que las operaciones del sistema sean más sencillas en lugar de tomar la masa adicional que permitiría retirarla", explicó. En eso está trabajando su equipo. Pero también esperan ver ideas de la industria sobre cómo podría funcionar también un sistema extraíble. “En este momento, dentro de nuestro grupo, la idea es dejar el sistema dentro del módulo de aterrizaje”, dijo. “Pero hay muchas innovaciones por ahí, y en este momento estamos buscando esas innovaciones de la industria para ver otras opciones que tendrían”.
Un estudio interno de la NASA estimó que cada unidad de 10 kilovatios tendrá unos seis metros (19,6 pies) de altura y más de dos metros (6,5 pies) de ancho, aunque los detalles exactos dependerán del diseño final. Una imagen conceptual (arriba) producida por la NASA muestra cuatro unidades de este tipo unidas en la superficie de Marte para proporcionar energía a una base allí, para que pueda imaginar cómo sería una planta de energía marciana.
La seguridad de la energía nuclear
Un factor que tiende a preocupar a la gente cuando se trata de usar energía nuclear en la Tierra es la seguridad, y eso también se aplica a las misiones espaciales. Los elementos radiactivos utilizados en los reactores nucleares de potencia, como el uranio utilizado en la demostración de Kilopower, emiten radiación que es peligrosa para los humanos y que también puede causar problemas con los dispositivos electrónicos cercanos. equipo.
Para mantener seguras tanto a las personas como a los dispositivos electrónicos, los sistemas de energía de fisión están rodeados por un grueso blindaje de metal que contiene la radiación. Cualquier nuevo sistema de energía para una misión a Marte se sometería a pruebas exhaustivas en la Tierra para asegurarse de que era seguro incluso en condiciones extremas, como pruebas operativas, pruebas de vacío y vibraciones pruebas.
Hernández-Lugo señaló que la NASA ya ha lanzado más de 20 misiones en el pasado que utilizaron varios tipos de sistemas de energía nuclear, "por lo que la NASA tiene experiencia y antecedentes en el lanzamiento de sistemas de energía nuclear tanto a la luna como a la luna". Marte."
También existe una preocupación sobre el uso de uranio altamente enriquecido en los sistemas de energía, que es lo que usó la demostración de Kilopower. Este material también se puede utilizar para fabricar armas nucleares, por lo que algunos líderes políticos están preocupados que usarlo en proyectos espaciales podría fomentar su proliferación en la Tierra.
Para abordar estas preocupaciones, los futuros sistemas de fisión de superficie podrían usar uranio poco enriquecido, que se usa comúnmente en los reactores de potencia en la Tierra y no es apto para armas. “Los diseños de uranio poco enriquecido son muy atractivos desde la perspectiva de una regulación reducida y cumplimiento de las recientes directivas de política nuclear espacial nacional”, escribió Hernández-Lugo en un seguimiento correo electrónico. “El uso de uranio altamente enriquecido aún es posible si la misión tiene una necesidad prevaleciente”.
El última directiva de política espacial, publicado por la Casa Blanca en diciembre del año pasado, solo permite el uso de uranio altamente enriquecido si es aprobado por varios organismos gubernamentales y se puede demostrar que es la única forma de completar un misión.
Energia del sol
Sin embargo, la energía nuclear no es la única opción para la generación de energía: una de las opciones de energía más comunes utilizadas para las misiones espaciales en este momento es la energía solar. La Agencia Espacial Europea (ESA) utiliza energía solar para prácticamente todas sus misiones, y su próximo rover en Marte, llamado Rosalind Franklin, también funcionará con energía solar.
“En el espacio, la eficiencia es incluso más importante que en tierra y estamos constantemente impulsando lo que es técnicamente posible”.
Leopold Summerer, Jefe del Equipo de Conceptos Avanzados de la ESA, que investiga tecnologías emergentes para misiones espaciales, dijo Tendencias digitales en un correo electrónico que la energía solar tiene una ventaja sobre la energía nuclear en el sentido de que no necesita seguridad adicional medidas. También señaló que el uso extensivo de la tecnología de energía solar en la Tierra significa desarrollos constantes que se pueden aplicar al espacio. misiones: "La energía solar es una tecnología de rápida evolución que ofrece fácil uso, acceso y alta madurez, además de ser totalmente renovable", dijo. dicho.
Esta rápida tasa de desarrollo significa que los ingenieros están diseñando paneles que pueden producir aún más electricidad a partir de la misma cantidad de luz solar, y Summerer espera que los futuros sistemas solares continúen recibiendo más eficiente.
“En el espacio, la eficiencia es aún más importante que en tierra y estamos constantemente impulsando lo que es técnicamente posible”, dijo Summerer. Aumentos relativamente pequeños en la eficiencia y la masa de las celdas solares pueden marcar una gran diferencia en el costo total de los sistemas solares, particularmente para naves más pequeñas como los satélites.
Pero como todas las tecnologías, existen limitaciones en el uso de la energía solar. “Tiene la desventaja de depender de una fuente externa, el sol, y todos los inconvenientes que conlleva”, dijo Summerer. En muchas situaciones, la energía del sol es solo intermitente. En un planeta con un ciclo diurno y nocturno, las baterías se pueden usar para almacenar el exceso de energía durante el día y seguir suministrándola durante la noche. Pero esto agrega otro elemento voluminoso al sistema de energía, así como una capa adicional de complejidad.
Una solución futurista a este problema que se está considerando es el desarrollo de plantas de energía solar en órbita, que podría funcionar en conjunto con paneles de energía solar en la superficie para recolectar energía del sol y transmitirla a la superficie de forma inalámbrica. ESA es actualmente buscando conceptos para convertir esta idea en una realidad.
La luz del sol en Marte
Sin embargo, cuando se trata específicamente de Marte, existen algunos desafíos con el uso de energía solar. Como está más lejos del sol que la Tierra, llega menos luz solar a la superficie del planeta. Eso significa que los exploradores en Marte tendrán acceso a alrededor de la mitad de la radiación solar que tendrían en la Tierra.
Eso no significa que usar energía solar sea imposible en Marte, solo que las misiones deben tener mucho cuidado con el uso de energía. Los rovers de Marte de la generación anterior de la NASA, Spirit y Opportunity, usaban energía solar, y los orbitadores actuales como Mars Express y Mars Orbiter Mission también funcionan con energía solar.
Sin embargo, hay otro problema en Marte: Tormentas de polvo. Marte tiene un sistema meteorológico complejo que ocasionalmente resulta en tormentas de polvo globales masivas, bloqueando temporalmente gran parte de la luz del sol y cubriendo prácticamente todo el planeta con una capa de polvo, incluida la solar paneles Eso es lo que causó que el increíblemente longevo rover Opportunity finalmente se oscureciera, cuando una tormenta de polvo masiva azotó el planeta en 2018.
Summerer cree que al combinar plantas de energía solar orbitales y de superficie, probablemente podría generar suficiente energía para un hábitat humano. Pero también reconoció que es valioso combinar la energía solar con otras fuentes de energía como la nuclear. “La energía solar en la superficie y eventualmente complementada desde la órbita puede proporcionar suficiente energía para los hábitats humanos en Marte, pero como lo demuestran los últimos rovers, tales como Perseverance, que acaba de aterrizar, a veces las pequeñas fuentes de energía nuclear brindan una ventaja competitiva tan grande que esperaría que también desempeñen un papel”, dijo. escribió.
Elegir la fuente de energía adecuada para la misión
Hernández-Lugo estuvo de acuerdo en que existe un valor potencial en todo tipo de sistemas de energía para una misión a Marte, incluidos la energía solar, las baterías y la energía nuclear. “El sistema de energía va a depender de la misión específica”, dijo. El Centro de Investigación Glenn de la NASA, donde trabaja, es el centro de desarrollo de energía de la NASA y realiza investigaciones en una amplia variedad de opciones de energía, incluidas baterías, células solares, sistemas de radioisótopos, sistemas de energía de fisión y combustible regenerativo células. La clave es elegir la fuente de energía adecuada para las necesidades de la misión, según los recursos disponibles.
Hay claras ventajas en un sistema nuclear para misiones habitacionales humanas. En primer lugar, cuando desea diseñar un sistema de energía para usar tanto en la Luna como en Marte, como lo hace la NASA, entonces debe lidiar con los períodos de oscuridad de dos semanas en la Luna.
“Cuando comienzas a pensar en cómo diseñar una arquitectura de misión que te permita tener energía constante, entonces es cuando entra en juego la energía nuclear”, dijo. “Porque necesita un sistema confiable que le brinde energía continua durante esas operaciones nocturnas”.
Para Marte, la generación continua de energía también es importante, especialmente para la seguridad de los astronautas que viven allí. Definitivamente desea un sistema de energía que siga funcionando en cualquier condición climática, incluso durante un sistema de polvo, y la energía nuclear puede proporcionarlo.
Hernández-Lugo también señaló que las misiones actuales de la NASA a Marte, como Mars 2020, usan una combinación de energía solar energía para el helicóptero Ingenuity y energía nuclear para el rover Perseverance, para adaptarse a las necesidades particulares del misión.
“En este momento, dentro de la agencia, están buscando avanzar en todos los diferentes sistemas de energía para que estén disponibles en misiones como la Luna y Marte”, dijo. “Así que hay un lugar para todos los sistemas de energía”.
Este artículo es parte de Vida en Marte — una serie de 10 partes que explora la ciencia y la tecnología de vanguardia que permitirán a los humanos ocupar Marte
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