Maaväline energia: kuidas me Marsil energiat toome

Inimese kohaloleku loomine Marsil toob kaasa tohutu hulga väljakutseid, millest paljud on seotud ühe olulise nõudega: võimsus. Kas see on mõeldud hapniku tekitamine, kulguritega sõitmine, soojuse ja valguse pakkumine või side, vajavad tulevased Marsi elanikud pidevat elektrivarustust, et tagada nende ohutus ja missiooni käigushoidmine.

Marsil pole aga elektrivõrku ja praegused lahendused viivad meid ainult nii kaugele. Kuidas siis esimene planeediväline elektrijaam välja näeb? Võtsime ühendust kahe inimesega, kes töötasid kahes erinevas agentuuris kosmoseenergiasüsteemide tipptasemel, et seda teada saada.

See artikkel on osa Elu Marsil - 10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata

Tuumareaktorid kosmoses

NASA elektritootmise tulevikuplaanid hõlmavad tuuma lõhustumise süsteeme, milles uraani aatomid jagatakse reaktoris soojuse tekitamiseks. Võrreldes radioisotoopsüsteemidega (RTG-dega), mille jõuallikaks on sellised kulgurid nagu Perseverance, võivad lõhustumissüsteemid

toota rohkem võimsust jäädes siiski väikeseks.

2018. aasta märtsis demonstreeris agentuuri Kilopoweri projekt lõhustumiskatset, mis on võimeline tootma 1 kilovatti võimsust, mida saaks kasutada tulevaste kosmosereaktorite alusena. Katse, mis sai Stirlingi tehnoloogiat kasutava Kilopoweri reaktori järgi hüüdnime KRUSTY, toiteallikaks oli uraan-235 südamik, mis NASA kirjeldas nagu "umbes paberrätikurulli suurus". See tekitas soojust, mis seejärel muudeti Stirlingi mootoriks kutsutava mehhanismi kaudu elektriks.

Tulevane lõhustuva pinnaenergia süsteem on väike ja kerge ning võib töötada vähemalt 10 aastat. See muudab kontseptsiooni ideaalseks tulevasteks missioonideks Kuule ja lõpuks ka Marsile.

Eelmisel aastal kutsus NASA koos energeetikaministeeriumiga tööstuselt ideid 10-kilovatise süsteemi jaoks. Neli või viis sellist seadet võiksid Marsi elupaika toita koos kõige sellega kaasnevaga – näiteks raketi jaoks hapniku tootmisega raketikütuse ja ka kolme kuni nelja astronaudi vajaduste rahuldamiseks, mis eeldab hinnanguliselt kokku umbes 40 kilovatti.

Dionne Hernandez-Lugo oli Kilopoweri projektijuht ja nüüd NASA lõhustumise pinnaenergia projektijuhi asetäitja Kuu tehnoloogia demonstratsioonil ja ta ütles Digital Trendsile, et nad kavatsevad katsetada esimest üksust Kuul kümnendil.

"Idee on näidata süsteemi Artemise programmi raames esmalt Kuul," ütles ta. "Meie projekti eesmärk on arendada 10-kilovatist süsteemi ja teha esimene demonstratsioon Kuul. See aitaks meil süsteemist aru saada. Pärast seda saab teha kõik vajalikud disainimuudatused ja seda saab kasutada tulevastel Marsi-missioonidel.

Esimese Kuu katsetuse plaan on, et jõuallikas jääb Kuu maandurisse. Seadme jätmine maandurisse "aitab pigem süsteemi toimimist lihtsamalt kui eemaldamist võimaldava lisamassi võtmisest," selgitas ta. Selle kallal tema meeskond töötab. Kuid nad loodavad näha ka tööstuse ideid selle kohta, kuidas eemaldatav süsteem võiks samuti toimida. "Praegu on meie grupis mõte jätta süsteem maanduri sisse," ütles ta. "Kuid seal on palju uuendusi ja praegu otsime neid uuendusi tööstusest, et näha muid võimalusi, mis neil oleks."

NASA siseuuringus prognoositi, et iga 10-kilovatine seade on umbes kuus meetrit (19,6 jalga) pikk ja üle kahe meetri (6,5 jalga) lai, kuigi täpsed üksikasjad sõltuvad lõplikust disainist. NASA loodud ideekujutis (ülal) näitab nelja sellist üksust, mis on omavahel ühendatud Marsi pinnal, et varustada seal asuva baasi toidet, nii et saate ette kujutada, milline Marsi elektrijaam välja näeb.

Tuumaenergia ohutus

Üks tegur, mille pärast inimesed kipuvad muret tundma, kui tegemist on tuumaenergia kasutamisega Maal, on ohutus ja see kehtib ka kosmosemissioonide kohta. Tuumareaktorites kasutatavad radioaktiivsed elemendid, nagu Kilopoweri demonstratsioonis kasutatud uraan, eraldada inimestele ohtlikku kiirgust, mis võib põhjustada probleeme ka läheduses asuva elektroonikaga varustus.

Inimeste ja elektroonika ohutuse tagamiseks on tuumalõhustumissüsteemid ümbritsetud paksu metallist varjestusega, mis sisaldab kiirgust. Iga uut Marsi-missiooni toitesüsteemi testitakse Maal, et selles veenduda oli ohutu isegi ekstreemsetes tingimustes, nagu töökatsetused, vaakumkatsed ja vibratsioon testimine.

Hernandez-Lugo märkis, et NASA on juba varem käivitanud üle 20 missiooni, mis kasutasid erinevat tüüpi tuumaenergiasüsteemid, "nii et NASA-l on teadmised ja taust tuumaenergiasüsteemide käivitamisel nii Kuule kui ka Marss."

Samuti on muret kõrgelt rikastatud uraani kasutamine elektrisüsteemides, mida Kilopoweri demonstratsioon kasutas. Seda materjali saab kasutada ka tuumarelvade valmistamiseks, nii et mõned poliitilised juhid on mures et selle kasutamine kosmoseprojektides võib soodustada selle levikut Maal.

Nende probleemide lahendamiseks võiksid tulevased pinnalõhustumissüsteemid kasutada selle asemel madala rikastatud uraani, mida kasutatakse tavaliselt Maa elektrireaktorites ja mis ei ole relvakvaliteediga. „Madalrikastatud uraani konstruktsioonid on vähendatud reguleerimise ja reguleerimise seisukohast väga atraktiivsed vastavus hiljutistele riiklikele kosmose tuumapoliitika direktiividele, ”kirjutas Hernandez-Lugo järelkontrollis email. "Kõrgelt rikastatud uraani kasutamine on endiselt võimalik, kui missioonil on valitsev vajadus."

The viimane kosmosepoliitika direktiiv, mille Valge Maja avaldas eelmise aasta detsembris, lubab kasutada ainult kõrgelt rikastatud uraani kui selle on heaks kiitnud erinevad valitsusasutused ja see on ainuke viis täita a missioon.

Energia päikesest

Tuumaenergia pole aga ainus võimalus elektritootmiseks: üks levinumaid energiavõimalusi, mida praegu kosmosemissioonidel kasutatakse, on päikeseenergia. Euroopa Kosmoseagentuur (ESA) kasutab päikeseenergiat praktiliselt kõigi oma missioonide jaoks ja ka selle tulevane Marsi kulgur, nimega Rosalind Franklin, hakkab töötama päikeseenergial.

Leopold Summerer, ESA täiustatud kontseptsioonide meeskonna juht, mida kosmosemissioonide jaoks uusi tehnoloogiaid arendavad teadlased ütlesid. Digitaalsed trendid e-kirjas, et päikeseenergial on tuumaenergia ees eelis, kuna see ei vaja täiendavat ohutust meetmed. Ta märkis ka, et päikeseenergia tehnoloogia laialdane kasutamine Maal tähendab pidevat arengut, mida saab kosmoses rakendada Missioonid: "Päikeseenergia on kiiresti arenev tehnoloogia, mis pakub lihtsat kasutamist, juurdepääsu ja kõrget küpsust lisaks täielikult taastuvusele," ütles ta. ütles.

See kiire areng tähendab, et insenerid kavandavad paneele, mis suudavad toota veelgi rohkem elektrit sama palju päikesevalgust ja Summerer loodab, et tulevased päikesesüsteemid saavad jätkuvalt rohkem tõhus.

"Kosmoses on tõhusus veelgi olulisem kui maapinnal ja me pingutame pidevalt, mis on tehniliselt võimalik," ütles Summerer. Päikesepatareide tõhususe ja massi suhteliselt väike tõus võib päikesesüsteemide kogumaksumust oluliselt muuta, eriti väiksemate laevade, näiteks satelliitide puhul.

Kuid nagu kõik tehnoloogiad, on ka päikeseenergia kasutamisel piirangud. "Selle puuduseks on sõltumine välisest allikast, päikesest ja kõigist sellega kaasnevatest puudustest," ütles Summerer. Paljudes olukordades on päikeseenergia ainult katkendlik. Päevase ja öise tsükliga planeedil saab akusid kasutada üleliigse energia salvestamiseks päevasel ajal ja selle varundamiseks öösel. Kuid see lisab elektrisüsteemile veel ühe mahuka elemendi ja täiendava keerukuse.

Üks futuristlik lahendus sellele probleemile, mida kaalutakse, on väljatöötamine tiirlevad päikeseelektrijaamad, mis võiks töötada koos pinnal olevate päikesepaneelidega, et koguda päikeselt energiat ja edastada see juhtmevabalt pinnale. ESA on praegu mõistete otsimine et see idee teoks saaks.

Päikesevalgus Marsil

Kui aga rääkida konkreetselt Marsist, siis on päikeseenergia kasutamisel mõningaid väljakutseid. Kuna see asub Päikesest kaugemal kui Maa, jõuab planeedi pinnale vähem päikesevalgust. See tähendab, et Marsi maadeuurijatel on ligipääs umbes poolele päikesekiirgusele, mis neil oleks Maal.

See ei tähenda, et päikeseenergia kasutamine Marsil oleks võimatu, lihtsalt missioonid peavad oma energiakasutusega olema väga ettevaatlikud. NASA eelmise põlvkonna marsikulgurid Spirit ja Opportunity kasutasid päikeseenergiat ning praegused orbiidid, nagu Mars Express ja Mars Orbiter Mission, töötavad samuti päikeseenergial.

Siiski on Marsil veel üks probleem: Tolmutormid. Marsil on keeruline ilmasüsteem, mis aeg-ajalt põhjustab tohutuid globaalseid tolmutorme, mis ajutiselt blokeerivad suur osa päikesevalgusest ja katab tolmukihiga praktiliselt kõik planeedil, sealhulgas päikeseenergia paneelid. Just seetõttu läks uskumatult pikaealine kulgur Opportunity lõpuks pimedaks, kui 2018. aastal veeres üle planeedi tohutu tolmutorm.

Summerer arvab, et maapealsete ja orbitaalsete päikeseelektrijaamade kombineerimisega saaksite tõenäoliselt toota piisavalt energiat inimese elupaiga jaoks. Kuid ta tunnistas ka, et päikeseenergia kombineerimisel teiste energiaallikatega, nagu tuumaenergia, on väärtus. "Päikeseenergia pinnal ja lõpuks orbiidilt täiendatud energiaga võib pakkuda piisavalt energiat inimeste elupaikadele Marsil, kuid nagu on näidanud uusimad kulgurid, kui visadus, mis just maandus, annavad mõnikord väikesed tuumaenergiaallikad nii suure konkurentsieelise, et ma eeldan, et ka need mängivad rolli. kirjutas.

Missiooni jaoks õige toiteallika valimine

Hernandez-Lugo nõustus, et Marsi missiooni kõikvõimalikud elektrisüsteemid, sealhulgas päikeseenergia, akud ja tuumaenergia, on potentsiaalselt väärtuslikud. "Toitesüsteem sõltub konkreetsest missioonist," ütles ta. NASA Glenni uurimiskeskus, kus ta töötab, on NASA energiaarenduskeskus ja tegeleb laiaulatusliku uurimistööga mitmesuguseid toitevõimalusi, sealhulgas akud, päikesepatareid, raadioisotoopide süsteemid, lõhustumisenergiasüsteemid ja regeneratiivne kütus rakud. Peamine on valida missiooni vajadustele sobiv toiteallikas, mis põhineb olemasolevatel ressurssidel.

Tuumasüsteemil on inimasustamiseks mõeldud missioonide jaoks selged eelised. Esiteks, kui soovite kavandada nii Kuul kui ka Marsil kasutatavat toitesüsteemi, nagu NASA seda teeb, peate tegelema kahe nädala pikkuste Kuu pimedusperioodidega.

"Kui hakkate mõtlema, kuidas kujundada missiooniarhitektuur, mis võimaldab teil pidevat võimsust omada, siis tuleb tuumaenergia mängu," ütles ta. "Sest teil on vaja usaldusväärset süsteemi, mis annab teile nende öiste toimingute ajal pideva toite."

Marsi jaoks on oluline ka pidev energiatootmine, eriti seal elavate astronautide ohutuse tagamiseks. Soovite kindlasti elektrisüsteemi, mis töötab iga ilmaga, isegi tolmusüsteemi ajal, ja tuumaenergia suudab seda pakkuda.

Hernandez-Lugo juhtis tähelepanu ka sellele, et NASA praegused missioonid Marsile, nagu ka Mars 2020, kasutavad mõlema päikeseenergia kombinatsiooni. võimsus Ingenuity helikopterile ja tuumajõud Perseverance roverile, et see sobiks konkreetsete vajadustega missioon.

"Praegu tegelevad nad agentuuris kõigi erinevate elektrisüsteemide edendamisega, et need oleksid saadaval sellistel missioonidel nagu Kuu ja Marss," ütles ta. "Seega on koht kõigile elektrisüsteemidele."

See artikkel on osa Elu Marsil - 10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata

Toimetajate soovitused

• Kosmoloogiline pendelränne: inimeste Marsile viimise keeruline logistika
• Tõukejõu täiustamine: kuidas me saame inimesed Marsile
• Liivast valmistatud lossid: kuidas teeme Marsi pinnasega elupaiku
• Hüdratsiooni kogumine: kuidas tulevased asukad Marsil vett loovad ja koguvad
• Astropõllumajandus: kuidas me Marsil põllukultuure kasvatame