Establecer una presencia humana en Marte implicará una enorme variedad de desafíos, muchos de los cuales están vinculados a un requisito esencial: la energía. Ya sea para creando oxígeno, conduciendo rovers, proporcionando calor y luz, o comunicaciones, los futuros residentes de Marte necesitarán un suministro constante de electricidad para mantenerse seguros y mantener la misión en funcionamiento.
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 sólo pueden llevarnos hasta cierto punto. Entonces, ¿cómo será la primera central eléctrica 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 capítulos 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 impulsan a los rovers como Perseverance, los sistemas de fisión pueden producir más poder sin dejar de ser de tamaño pequeño.
En marzo de 2018, el proyecto Kilopower de la agencia demostró un experimento de fisión capaz de producir 1 kilovatio de energía, que podría usarse como base para futuros reactores espaciales. El experimento, apodado KRUSTY por el reactor Kilopower que utiliza tecnología Stirling, fue impulsado por un núcleo de uranio-235 que NASA describió como "aproximadamente del tamaño de un rollo de toallas de papel". Esto generó calor, que luego se convirtió en electricidad mediante 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 a la industria a presentar ideas para un sistema de 10 kilovatios. Cuatro o cinco de estas unidades podrían alimentar un hábitat en Marte con todo lo que ello implica, como la producción de oxígeno para los 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 subdirectora de proyectos de energía de superficie 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 en el próximo 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 realizar la primera demostración en la luna. Eso nos ayudaría a comprender el sistema”. Después de esto, se podrían realizar las modificaciones de diseño necesarias y podría utilizarse 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 facilitar las operaciones del sistema en lugar de tomar la masa adicional que permitiría su extracción”, explicó. En eso está trabajando su equipo. Pero también esperan ver ideas de la industria sobre cómo podría funcionar 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 en la industria para ver otras opciones que tendrían".
Un estudio interno de la NASA estimó que cada unidad de 10 kilovatios tendrá alrededor de seis metros (19,6 pies) de alto 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 de estas unidades unidas entre sí en la superficie de Marte para proporcionar energía a una base allí, por lo que puedes imaginar cómo sería una planta de energía marciana.
La seguridad de la energía nuclear
Un factor que suele preocupar a la gente cuando se trata de utilizar 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, 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 seguros tanto a las personas como a los dispositivos electrónicos, los sistemas de energía de fisión están rodeados por un grueso blindaje metálico que contiene la radiación. Cualquier nuevo sistema de energía para una misión a Marte se sometería a pruebas exhaustivas en la Tierra para garantizar que funcione. era seguro incluso en condiciones extremas, como pruebas operativas, pruebas de vacío y vibraciones. pruebas.
Hernández-Lugo señaló que la NASA ya lanzó más de 20 misiones en el pasado que utilizaron varios tipos de sistemas de energía nuclear, “por lo que la NASA tiene experiencia y experiencia en el lanzamiento de sistemas de energía nuclear tanto a la Luna como a la Tierra”. Marte."
También existe preocupación por el uso de uranio altamente enriquecido en sistemas de energía, que es lo que se utilizó en la demostración de Kilopower. Este material también se puede utilizar para fabricar armas nucleares, por lo que algunos líderes políticos están preocupados que su uso en proyectos espaciales podría fomentar su proliferación en la Tierra.
Para abordar estas preocupaciones, los futuros sistemas de fisión de superficie podrían utilizar en su lugar uranio poco enriquecido, que se utiliza comúnmente en 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 nacionales de política nuclear espacial”, escribió Hernández-Lugo en un seguimiento correo electrónico. "El uso de uranio altamente enriquecido todavía 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, sólo 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 a 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 Digital Trends en un correo electrónico que dice que la energía solar tiene una ventaja sobre la energía nuclear porque no necesita seguridad adicional medidas. También señaló que el uso extensivo de la tecnología de energía solar en la Tierra significa desarrollos constantes que pueden aplicarse al espacio. misiones: “La energía solar es una tecnología en rápida evolución que ofrece fácil uso, acceso y alta madurez, además de ser totalmente renovable”, afirmó. dicho.
Este rápido ritmo 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 sigan recibiendo más eficiente.
"En el espacio, la eficiencia es incluso 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 células 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 sólo intermitente. En un planeta con un ciclo diurno y nocturno, las baterías pueden usarse para almacenar el exceso de energía durante el día y seguir suministrándola durante la noche. Pero esto añade otro elemento voluminoso al sistema eléctrico, 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. La ESA está actualmente buscando conceptos para hacer realidad esta idea.
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 aproximadamente la mitad de la irradiancia solar que tendrían en la Tierra.
Eso no significa que usar energía solar sea imposible en Marte, sólo que las misiones deben tener mucho cuidado con su uso de energía. Los vehículos exploradores de Marte de la generación anterior de la NASA, Spirit y Opportunity, utilizaban 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 climático 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 energía solar. paneles. Eso es lo que provocó que el increíblemente longevo rover Opportunity finalmente se apagara, cuando una enorme tormenta de polvo azotó el planeta en 2018.
Summerer cree que combinando plantas de energía solar orbitales y de superficie, probablemente se 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 han demostrado los últimos vehículos exploradores, como Como Perseverance, que acaba de aterrizar, a veces las pequeñas fuentes de energía nuclear proporcionan una ventaja competitiva tan grande que esperaría que también desempeñaran un papel”, afirmó. escribió.
Elegir la fuente de energía adecuada para la misión
Hernández-Lugo coincidió en que existe un valor potencial en todo tipo de sistemas de energía para una misión a Marte, incluidos los solares, las baterías y los nucleares. "El sistema de energía dependerá 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, en función de los recursos disponibles.
Un sistema nuclear para misiones de habitación humana tiene claras ventajas. En primer lugar, cuando se quiere diseñar un sistema de energía para su uso tanto en la Luna como en Marte, como lo hace la NASA, entonces hay que lidiar con períodos de oscuridad de dos semanas de duración en la Luna.
"Cuando empiezas a pensar en cómo diseñar una arquitectura de misión que te permita tener energía constante, es cuando entra en juego la energía nuclear", dijo. "Porque necesitas un sistema confiable que te 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 se necesita 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, utilizan una combinación de energía solar energía para el helicóptero Ingenuity y energía nuclear para el rover Perseverance, para satisfacer las necesidades particulares del misión.
"En este momento, dentro de la agencia, están buscando avanzar en todos los diferentes sistemas de energía para tenerlos disponibles en misiones como la Luna y Marte", dijo. "Así que hay lugar para todos los sistemas de energía".
Este artículo es parte de Vida en Marte — una serie de 10 capítulos que explora la ciencia y la tecnología de vanguardia que permitirán a los humanos ocupar Marte
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