Maan ulkopuolinen energia: Kuinka tuotamme voimaa Marsissa

Ihmisen läsnäolon luominen Marsiin tuo mukanaan valtavan määrän haasteita, joista monet liittyvät yhteen olennaiseen vaatimukseen: tehoon. Onko se tarkoitettu luoda happea, kuljettimien ajaminen, lämmön ja valon tarjoaminen tai viestintä, tulevat Marsin asukkaat tarvitsevat jatkuvan sähkönsyötön pitääkseen heidät turvassa ja pitääkseen tehtävänsä käynnissä.

Marsissa ei kuitenkaan ole sähköverkkoa, ja nykyiset ratkaisut voivat viedä meidät vain niin pitkälle. Miltä ensimmäinen planeetan ulkopuolinen voimalaitos sitten näyttää? Otimme yhteyttä kahteen avaruusvoimajärjestelmien kärjessä työskentelevään henkilöön kahdessa eri virastossa selvittääksemme.

Tämä artikkeli on osa Elämä Marsissa - 10-osainen sarja, joka tutkii huipputiedettä ja teknologiaa, jonka avulla ihmiset voivat miehittää Marsin

Ydinreaktorit avaruudessa

NASAn tulevaisuuden sähköntuotannon suunnitelmiin kuuluu ydinfissiojärjestelmiä, joissa uraaniatomit jaetaan reaktorin sisällä lämmön tuottamiseksi. Verrattuna Perseverancen kaltaisiin radioisotooppijärjestelmiin (RTG-järjestelmiin), fissiojärjestelmät voivat

tuottaa enemmän tehoa pysyen silti pienenä.

Viraston Kilopower-projekti esitteli maaliskuussa 2018 fissiokokeen, joka pystyy tuottamaan 1 kilowatin tehoa, jota voitaisiin käyttää pohjana tuleville avaruusreaktoreille. Kokeessa, joka sai lempinimeltään KRUSTY Stirling-tekniikkaa käyttävän Kilopower-reaktorin mukaan, käytettiin uraani-235-ydintä, joka NASA kuvaili kuin "noin paperipyyherullan kokoinen". Tämä tuotti lämpöä, joka muutettiin sitten sähköksi Stirling-moottoriksi kutsutun mekanismin avulla.

Tuleva fissiopintavoimajärjestelmä on pieni ja kevyt, ja se voisi toimia vähintään 10 vuotta. Tämä tekee konseptista ihanteellisen tuleville tehtäville kuuhun ja lopulta Marsiin.

Viime vuonna NASA pyysi yhdessä energiaministeriön kanssa ideoita teollisuudelta 10 kilowatin järjestelmää varten. Neljä tai viisi tällaista yksikköä voisi käyttää virtaa Marsin elinympäristöön kaikella siihen liittyvällä - kuten hapen tuottamisella raketteja varten ponneainetta sekä kolmen-neljän astronautin tarpeita, joiden arvioidaan vaativan yhteensä noin 40 kilowattia.

Dionne Hernandez-Lugo oli Kilopowerin projektipäällikkö ja on nyt NASAn fissiopintavoiman apulaisprojektipäällikkö. Kuuteknologian esittelyssä, ja hän kertoi Digital Trendsille, että he aikovat testata ensimmäistä yksikköä kuussa seuraavan vuosikymmen.

"Ajatuksena on esitellä järjestelmä ensin kuussa osana Artemis-ohjelmaa", hän sanoi. ”Projektimme tähtää 10 kilowatin järjestelmän kehittämiseen ja ensimmäisen esittelyn tekemiseen kuuhun. Se auttaisi meitä ymmärtämään järjestelmää." Tämän jälkeen tarvittavat suunnittelumuutokset voitiin tehdä ja sitä voitaisiin käyttää tulevissa Mars-lennoissa.

Ensimmäisen Kuun testin suunnitelman mukaan voimayksikkö pysyy kuun laskeutujan sisällä. Yksikön jättäminen laskukoneeseen "auttaa helpottamaan järjestelmän toimintaa sen sijaan, että ottaisi ylimääräistä massaa, joka mahdollistaisi poistamisen", hän selitti. Sitä hänen tiiminsä työskentelee. Mutta he toivovat myös näkevänsä teollisuuden ideoita siitä, kuinka myös irrotettava järjestelmä voisi toimia. "Juuri nyt ryhmämme sisällä ajatuksena on jättää järjestelmä laskeutumaan", hän sanoi. "Mutta siellä on paljon innovaatioita, ja tällä hetkellä etsimme niitä innovaatioita teollisuudesta nähdäksemme muita vaihtoehtoja, joita heillä olisi."

NASAn sisäisessä tutkimuksessa arvioitiin, että jokainen 10 kilowatin yksikkö on noin kuusi metriä korkea ja yli kaksi metriä leveä, vaikka tarkat yksityiskohdat riippuvat lopullisesta suunnittelusta. NASA: n tuottama konseptikuva (yllä) näyttää neljä tällaista yksikköä, jotka on liitetty yhteen Marsin pinnalla antamaan voimaa tukikohtaan siellä, joten voit kuvitella, miltä marsin voimalaitos voisi näyttää.

Ydinvoiman turvallisuus

Yksi tekijä, josta ihmiset ovat yleensä huolissaan, kun kyse on ydinvoiman käytöstä maan päällä, on turvallisuus, ja se koskee myös avaruustehtäviä. Ydinvoimareaktoreissa käytetyt radioaktiiviset alkuaineet, kuten Kilopowerin demonstraatiossa käytetty uraani, päästää ihmisille vaarallista säteilyä, joka voi myös aiheuttaa ongelmia lähellä oleville elektroniikkalaitteille laitteet.

Jotta sekä ihmiset että elektroniikka olisivat turvassa, fissiovoimajärjestelmiä ympäröi paksu metallisuoja, joka sisältää säteilyn. Mikä tahansa uusi voimajärjestelmä Mars-lennolle testattaisiin laajasti maan päällä sen varmistamiseksi oli turvallinen jopa äärimmäisissä olosuhteissa, kuten toimintatestauksessa, tyhjiökokauksessa ja tärinässä testaus.

Hernandez-Lugo huomautti, että NASA on aiemmin käynnistänyt yli 20 tehtävää, joissa on käytetty erilaisia ydinvoimajärjestelmät, "joten NASA: lla on asiantuntemusta ja taustaa ydinvoimajärjestelmien laukaisussa sekä kuuhun että Mars."

Huolestuttavaa on myös erittäin rikastetun uraanin käyttö voimajärjestelmissä, jota Kilopower-esittelyssä käytettiin. Tätä materiaalia voidaan käyttää myös ydinaseiden valmistukseen, joten Jotkut poliittiset johtajat ovat huolissaan että sen käyttö avaruusprojekteissa saattaisi edistää sen leviämistä maan päällä.

Näiden huolenaiheiden ratkaisemiseksi tulevat pintafissiojärjestelmät voisivat käyttää sen sijaan vähän rikastettua uraania, jota käytetään yleisesti maapallon voimareaktoreissa ja joka ei ole asekäyttöinen. ”Matalarikastetun uraanin mallit ovat erittäin houkuttelevia vähentävän sääntelyn ja viimeaikaisten kansallisten avaruusydinpolitiikan direktiivien noudattaminen", Hernandez-Lugo kirjoitti jatkotoimissaan sähköposti. "Korkeasti rikastetun uraanin käyttö on edelleen mahdollista, jos tehtävällä on vallitseva tarve."

The uusin avaruuspolitiikan direktiiviValkoisen talon viime vuoden joulukuussa julkaisema versio sallii vain erittäin rikastetun uraanin käytön jos eri hallintoelimet ovat hyväksyneet sen ja sen voidaan osoittaa olevan ainoa tapa täyttää a tehtävä.

Energiaa auringosta

Ydinvoima ei kuitenkaan ole ainoa vaihtoehto sähköntuotannossa: Yksi yleisimmistä avaruustehtävissä tällä hetkellä käytetyistä tehovaihtoehdoista on aurinkovoima. Euroopan avaruusjärjestö (ESA) käyttää aurinkoenergiaa käytännössä kaikissa tehtävissään, ja sen tuleva Mars-kulkija, nimeltään Rosalind Franklin, tulee myös olemaan aurinkovoimalla.

Leopold Summerer, ESAn Advanced Concepts -ryhmän johtaja, jonka tutkijat nousevat teknologiat avaruustehtäviin, kertoivat. Digitrendit sähköpostissa, että aurinkovoimalla on ydinvoimaan nähden etu, että se ei vaadi lisäturvaa toimenpiteet. Hän huomautti myös, että aurinkovoimatekniikan laaja käyttö maapallolla tarkoittaa jatkuvaa kehitystä, jota voidaan soveltaa avaruuteen tehtävät: "Aurinkovoima on nopeasti kehittyvä tekniikka, joka tarjoaa helpon käytön, saatavuuden ja korkean kypsyyden sen lisäksi, että se on täysin uusiutuva", hän sanoi.

Tämä nopea kehitysvauhti tarkoittaa, että insinöörit suunnittelevat paneeleja, jotka voivat tuottaa entistä enemmän sähköä saman määrän auringonvaloa, ja Summerer uskoo, että tulevat aurinkojärjestelmät saavat jatkossakin enemmän tehokas.

"Avaruudessa tehokkuus on vielä tärkeämpää kuin maassa, ja pyrimme jatkuvasti siihen, mikä on teknisesti mahdollista", Summerer sanoi. Suhteellisen pieni lisäys aurinkokennojen tehokkuudessa ja massassa voi vaikuttaa merkittävästi aurinkojärjestelmien kokonaiskustannuksiin, erityisesti pienempien alusten, kuten satelliittien, osalta.

Mutta kuten kaikilla teknologioilla, aurinkoenergian käytöllä on rajoituksia. "Sillä on se haittapuoli, että se on riippuvainen ulkoisesta lähteestä, auringosta ja kaikista sen mukana olevista haitoista", Summerer sanoi. Monissa tilanteissa auringosta tuleva sähkö on vain ajoittaista. Planeetalla, jolla on päivä- ja yökierto, akkuja voidaan käyttää varastoimaan ylimääräistä virtaa päivällä ja syöttämään sitä yöllä. Mutta tämä lisää sähköjärjestelmään toisen ison elementin ja lisää monimutkaisuutta.

Yksi futuristinen ratkaisu tähän ongelmaan, jota harkitaan, on kehittää kiertäviä aurinkovoimaloita, joka voisi toimia rinnakkain pinnalla olevien aurinkopaneelien kanssa keräämään energiaa auringosta ja säteilemään sen pintaan langattomasti. ESA on tällä hetkellä etsii käsitteitä tehdä tästä ideasta totta.

Auringonvalo Marsissa

Mitä tulee Marsiin, aurinkovoiman käyttöön liittyy kuitenkin joitain haasteita. Koska se on kauempana auringosta kuin Maa, vähemmän auringonvaloa saavuttaa planeetan pinnan. Tämä tarkoittaa, että Marsin tutkijoilla on pääsy noin puoleen auringon säteilyvoimakkuudesta kuin maapallolla.

Tämä ei tarkoita, että aurinkoenergian käyttö olisi mahdotonta Marsissa, vain sitä, että tehtävissä on oltava erittäin varovaisia ​​virrankäytön suhteen. NASAn edellisen sukupolven Mars-kulkijat Spirit ja Opportunity käyttivät aurinkovoimaa ja nykyiset kiertoradat, kuten Mars Express ja Mars Orbiter Mission, ovat myös aurinkovoimalla.

Marsissa on kuitenkin toinen ongelma: Pölymyrskyt. Marsilla on monimutkainen sääjärjestelmä, joka ajoittain aiheuttaa valtavia globaaleja pölymyrskyjä, jotka estävät hetkellisesti suuri osa auringon valosta ja peittää käytännöllisesti katsoen kaiken planeetan pölykerroksella – myös aurinkoenergian paneelit. Tämä sai uskomattoman pitkäikäisen Opportunity-mönkijän lopulta pimentymään, kun massiivinen pölymyrsky vierähti planeetan halki vuonna 2018.

Summerer uskoo, että yhdistämällä pinta- ja kiertoradalla sijaitsevia aurinkovoimaloita saataisi luultavasti tuottaa riittävästi sähköä ihmisen elinympäristölle. Mutta hän myönsi myös, että aurinkoenergian yhdistäminen muihin energialähteisiin, kuten ydinvoimaan, on arvokasta. "Pinnalla oleva aurinkosähkö, jota täydennetään kiertoradalta, voi tarjota tarpeeksi energiaa Marsin ihmisympäristöille, mutta kuten viimeisimmät kulkijat ovat osoittaneet, kuten Perseverance, joka juuri laskeutui, joskus pienet ydinvoimalähteet tarjoavat niin suuren kilpailuedun, että odotan myös näillä olevan roolinsa, hän kirjoitti.

Oikean virtalähteen valitseminen tehtävää varten

Hernandez-Lugo myönsi, että kaikenlaisilla voimajärjestelmillä on potentiaalista arvoa Mars-tehtävälle, mukaan lukien aurinkoenergia, akut ja ydinvoima. "Sähköjärjestelmä riippuu tietystä tehtävästä", hän sanoi. NASAn Glenn Research Center, jossa hän työskentelee, on NASA: n voimankehityskeskus ja tekee tutkimusta laajalla alueella erilaisia ​​tehovaihtoehtoja, mukaan lukien akut, aurinkokennot, radioisotooppijärjestelmät, fissiovoimajärjestelmät ja regeneratiiviset polttoaineet soluja. Tärkeintä on valita oikea virtalähde operaation tarpeisiin käytettävissä olevien resurssien perusteella.

Ydinjärjestelmällä on selkeitä etuja ihmisasutustehtävissä. Ensinnäkin, kun haluat suunnitella voimajärjestelmän käytettäväksi sekä kuussa että Marsissa, kuten NASA tekee, sinun on kohdattava kaksi viikkoa kestäneet kuun pimeysjaksot.

"Kun alat miettiä, kuinka suunnitellaan tehtäväarkkitehtuuri, joka mahdollistaa jatkuvan tehon, silloin ydinvoima tulee peliin", hän sanoi. "Koska tarvitset luotettavan järjestelmän, joka antaa sinulle jatkuvaa virtaa näiden yötoimintojen aikana."

Myös Marsille jatkuva voimantuotanto on tärkeää, erityisesti siellä asuvien astronautien turvallisuuden kannalta. Haluat ehdottomasti sähköjärjestelmän, joka toimii kaikissa sääolosuhteissa, jopa pölyjärjestelmän aikana, ja ydinvoima voi tarjota sen.

Hernandez-Lugo huomautti myös, että NASAn nykyiset Mars-lennot, kuten Mars 2020, käyttävät molempien aurinkoenergian yhdistelmää. tehoa Ingenuity-helikopterille ja ydinvoimaa Perseverance-roverille, jotta ne sopivat tehtävä.

"Tällä hetkellä viraston sisällä he etsivät kaikkien eri sähköjärjestelmien kehittämistä, jotta ne olisivat käytettävissä tehtävillä, kuten Kuu ja Mars", hän sanoi. "Joten kaikille sähköjärjestelmille on paikka."

Tämä artikkeli on osa Elämä Marsissa - 10-osainen sarja, joka tutkii huipputiedettä ja teknologiaa, jonka avulla ihmiset voivat miehittää Marsin

Toimittajien suositukset

• Kosmologinen työmatka: Hankala logistiikka ihmisten saattamiseksi Marsiin
• Propulsion parantaminen: Miten saamme ihmiset Marsiin
• Hiekasta tehdyt linnat: Kuinka teemme elinympäristöjä Marsin maaperästä
• Nesteytys: kuinka tulevat uudisasukkaat luovat ja keräävät vettä Marsiin
• Astromaatalous: Kuinka kasvatamme satoja Marsissa