Énergie extraterrestre: comment générer de l'énergie sur Mars

La mise en place d'une présence humaine sur Mars s'accompagnera d'un large éventail de défis, dont beaucoup sont liés à une exigence essentielle: la puissance. Que ce soit pour créer de l'oxygène, conduire des rovers, fournir de la chaleur et de la lumière ou des communications, les futurs résidents de Mars auront besoin d'un approvisionnement constant en électricité pour assurer leur sécurité et assurer le bon déroulement de la mission.

Il n'y a cependant pas de réseau électrique sur Mars, et les solutions actuelles ne peuvent nous mener que très loin. Alors, à quoi ressemblera la première centrale électrique hors planète? Nous avons contacté deux personnes travaillant à la pointe des systèmes d'alimentation spatiale dans deux agences différentes pour le savoir.

Cet article fait partie de Vie sur Mars

Réacteurs nucléaires dans l'espace

Les plans de la NASA pour l'avenir de la production d'électricité incluent des systèmes de fission nucléaire, dans lesquels des atomes d'uranium sont divisés à l'intérieur d'un réacteur pour générer de la chaleur. Comparés aux systèmes de radio-isotopes (RTG) qui alimentent les rovers comme Persévérance, les systèmes à fission peuvent produire plus de puissance tout en restant dans une petite taille.

En mars 2018, le projet Kilopower de l'agence a démontré une expérience de fission capable de produire 1 kilowatt de puissance, qui pourrait être utilisée comme base pour les futurs réacteurs spatiaux. L'expérience, surnommée KRUSTY d'après le réacteur Kilopower utilisant la technologie Stirling, était alimentée par un noyau d'uranium 235 qui La NASA a décrit comme "environ la taille d'un rouleau d'essuie-tout". Cela a généré de la chaleur, qui a ensuite été convertie en électricité grâce à un mécanisme appelé moteur Stirling.

Un futur système d'alimentation en surface à fission sera petit et léger et pourrait fonctionner pendant au moins 10 ans. Cela rend le concept idéal pour les futures missions sur la Lune et, éventuellement, sur Mars.

L'année dernière, la NASA, avec le ministère de l'Énergie, a sollicité des idées de l'industrie pour un système de 10 kilowatts. Quatre ou cinq de ces unités pourraient alimenter un habitat martien avec tout ce que cela implique - comme la production d'oxygène pour une fusée propulseur ainsi que répondre aux besoins de trois à quatre astronautes, ce qui est estimé à un total d'environ 40 kilowatts.

Dionne Hernandez-Lugo était chef de projet pour Kilopower et est maintenant chef de projet adjoint pour la puissance de surface de fission de la NASA démonstration de la technologie lunaire, et elle a déclaré à Digital Trends qu'ils avaient l'intention de tester la première unité sur la lune au cours de la prochaine décennie.

"L'idée est de démontrer le système d'abord sur la lune dans le cadre du programme Artemis", a-t-elle déclaré. « Notre projet vise à développer un système de 10 kilowatts et à faire la première démonstration sur la lune. Cela nous aiderait à comprendre le système. Après cela, toutes les modifications de conception requises pourraient être apportées et elles pourraient être utilisées dans de futures missions vers Mars.

Le plan pour le premier test sur la lune est que l'unité de puissance reste dans l'atterrisseur lunaire. Laisser l'unité dans l'atterrisseur "contribue à faciliter les opérations du système plutôt que de prendre la masse supplémentaire qui permettrait le retrait", a-t-elle expliqué. C'est ce sur quoi travaille son équipe. Mais ils espèrent également voir des idées de l'industrie sur la façon dont un système amovible pourrait également fonctionner. "En ce moment, au sein de notre groupe, l'idée est de laisser le système dans l'atterrisseur", a-t-elle déclaré. "Mais il y a beaucoup d'innovations là-bas, et en ce moment nous recherchons ces innovations de l'industrie pour voir d'autres options qu'ils auraient."

Une étude interne de la NASA a estimé que chaque unité de 10 kilowatts mesurera environ six mètres (19,6 pieds) de haut et plus de deux mètres (6,5 pieds) de large, bien que les détails exacts dépendent de la conception finale. Une image conceptuelle (ci-dessus) produite par la NASA montre quatre de ces unités reliées entre elles à la surface de Mars pour alimenter une base là-bas, vous pouvez donc imaginer à quoi pourrait ressembler une centrale électrique martienne.

La sécurité de l'énergie nucléaire

L'un des facteurs qui préoccupent généralement les gens lorsqu'il s'agit d'utiliser l'énergie nucléaire sur Terre est la sécurité, et cela s'applique également aux missions spatiales. Les éléments radioactifs utilisés dans les réacteurs nucléaires, comme l'uranium utilisé dans la démonstration Kilopower, émettent des rayonnements dangereux pour l'homme et qui peuvent également causer des problèmes avec les appareils électroniques à proximité. équipement.

Pour assurer la sécurité des personnes et de l'électronique, les systèmes d'énergie à fission sont entourés d'un blindage métallique épais qui contient le rayonnement. Tout nouveau système d'alimentation pour une mission sur Mars serait soumis à des tests approfondis sur Terre pour s'assurer qu'il était sûr même dans des conditions extrêmes, telles que les tests de fonctionnement, les tests de vide et les vibrations essai.

Hernandez-Lugo a souligné que la NASA a déjà lancé plus de 20 missions dans le passé qui ont utilisé divers types de systèmes d'énergie nucléaire, "donc la NASA possède une expertise et une expérience dans le lancement de systèmes d'énergie nucléaire à la fois sur la lune et Mars."

On s'inquiète également de l'utilisation d'uranium hautement enrichi dans les systèmes électriques, ce que la démonstration de Kilopower a utilisé. Ce matériau peut également être utilisé pour fabriquer des armes nucléaires, donc certains responsables politiques s'inquiètent que son utilisation dans des projets spatiaux pourrait favoriser sa prolifération sur Terre.

Pour répondre à ces préoccupations, les futurs systèmes de fission de surface pourraient utiliser à la place de l'uranium faiblement enrichi, qui est couramment utilisé dans les réacteurs de puissance sur Terre et n'est pas de qualité militaire. "Les conceptions d'uranium faiblement enrichi sont très attrayantes du point de vue de la réglementation réduite et conformité avec les récentes directives nationales sur la politique nucléaire spatiale », a écrit Hernandez-Lugo dans un suivi e-mail. "L'utilisation d'uranium hautement enrichi est toujours possible si la mission a un besoin prédominant."

Le dernière directive de politique spatiale, publié par la Maison Blanche en décembre de l'année dernière, n'autorise que l'utilisation d'uranium hautement enrichi s'il est approuvé par divers organismes gouvernementaux et qu'il peut être démontré qu'il s'agit du seul moyen de remplir un mission.

L'énergie du soleil

L'énergie nucléaire n'est cependant pas la seule option de production d'électricité: l'une des options d'alimentation les plus couramment utilisées pour les missions spatiales à l'heure actuelle est l'énergie solaire. L'Agence spatiale européenne (ESA) utilise l'énergie solaire pour pratiquement toutes ses missions, et son prochain rover martien, appelé Rosalind Franklin, sera également alimenté par l'énergie solaire.

Leopold Summerer, chef de l'équipe des concepts avancés à l'ESA, qui étudie les technologies émergentes pour les missions spatiales, a déclaré Tendances numériques dans un e-mail indiquant que l'énergie solaire a un avantage sur l'énergie nucléaire en ce sens qu'elle n'a pas besoin de sécurité supplémentaire mesures. Il a également souligné que l'utilisation intensive de la technologie de l'énergie solaire sur Terre signifie des développements constants qui peuvent être appliqués à l'espace missions: "L'énergie solaire est une technologie en évolution rapide offrant une utilisation, un accès et une maturité élevés en plus d'être entièrement renouvelable", a-t-il a dit.

Ce rythme de développement rapide signifie que les ingénieurs conçoivent des panneaux qui peuvent produire encore plus d'électricité à partir de la même quantité de lumière solaire, et Summerer s'attend à ce que les futurs systèmes solaires continuent à recevoir plus efficace.

"Dans l'espace, l'efficacité est encore plus importante qu'au sol et nous repoussons constamment ce qui est techniquement possible", a déclaré Summerer. Des augmentations relativement faibles de l'efficacité et de la masse des cellules solaires peuvent faire une grande différence dans le coût total des systèmes solaires, en particulier pour les petits engins comme les satellites.

Mais comme toutes les technologies, il y a des limites à l'utilisation de l'énergie solaire. "Il a l'inconvénient d'être dépendant d'une source externe, le soleil, et tous les inconvénients qui vont avec", a déclaré Summerer. Dans de nombreuses situations, l'énergie solaire n'est qu'intermittente. Sur une planète avec un cycle jour et nuit, les batteries peuvent être utilisées pour stocker l'énergie excédentaire pendant la journée et continuer à la fournir la nuit. Mais cela ajoute un autre élément volumineux au système d'alimentation ainsi qu'une couche supplémentaire de complexité.

Une solution futuriste à ce problème envisagée est le développement de centrales solaires en orbite, qui pourrait fonctionner en tandem avec des panneaux solaires en surface pour collecter l'énergie du soleil et la transmettre sans fil à la surface. L'ESA est actuellement chercher des concepts pour faire de cette idée une réalité.

La lumière du soleil sur Mars

Cependant, en ce qui concerne Mars en particulier, l'utilisation de l'énergie solaire pose certains problèmes. Comme elle est plus éloignée du soleil que la Terre, moins de lumière solaire atteint la surface de la planète. Cela signifie que les explorateurs sur Mars auront accès à environ la moitié de l'irradiance solaire qu'ils auraient sur Terre.

Cela ne signifie pas que l'utilisation de l'énergie solaire est impossible sur Mars, mais simplement que les missions doivent faire très attention à leur consommation d'énergie. Les rovers Mars de la génération précédente de la NASA, Spirit et Opportunity, utilisaient l'énergie solaire, et les orbiteurs actuels comme Mars Express et la mission Mars Orbiter sont également alimentés par l'énergie solaire.

Cependant, il y a un autre problème sur Mars: Tempête de sable. Mars a un système météorologique complexe qui entraîne parfois des tempêtes de poussière mondiales massives, bloquant temporairement une grande partie de la lumière du soleil et couvrant pratiquement tout sur la planète dans une couche de poussière - y compris solaire panneaux. C'est ce qui a finalement fait sombrer le rover Opportunity, qui a une durée de vie incroyablement longue, lorsqu'une énorme tempête de poussière a traversé la planète en 2018.

Summerer pense qu'en combinant des centrales solaires de surface et orbitales, vous pourriez probablement générer suffisamment d'énergie pour un habitat humain. Mais il a également reconnu l'intérêt de combiner l'énergie solaire avec d'autres sources d'énergie comme le nucléaire. "L'énergie solaire à la surface et éventuellement complétée depuis l'orbite peut fournir suffisamment d'énergie pour les habitats humains sur Mars, mais comme l'ont démontré les derniers rovers, tels que Comme Persévérance qui vient d'atterrir, les petites sources d'énergie nucléaire offrent parfois un si grand avantage concurrentiel que je m'attendrais à ce qu'elles jouent également un rôle », a-t-il déclaré. écrit.

Choisir la bonne source d'alimentation pour la mission

Hernandez-Lugo a convenu qu'il existe une valeur potentielle dans toutes sortes de systèmes d'alimentation pour une mission sur Mars, y compris l'énergie solaire, les batteries et le nucléaire. "Le système d'alimentation dépendra de la mission spécifique", a-t-elle déclaré. Le Glenn Research Center de la NASA, où elle travaille, est le centre de développement de l'énergie de la NASA et effectue des recherches dans un large variété d'options d'alimentation, y compris les batteries, les cellules solaires, les systèmes de radio-isotopes, les systèmes d'énergie à fission et le carburant régénératif cellules. La clé est de choisir la bonne source d'alimentation pour les besoins de la mission, en fonction des ressources disponibles.

Il y a des avantages distincts à un système nucléaire pour les missions d'habitation humaine. Premièrement, lorsque vous souhaitez concevoir un système d'alimentation à utiliser à la fois sur la Lune et sur Mars, comme le fait la NASA, vous devez faire face aux périodes d'obscurité de deux semaines sur la Lune.

"Lorsque vous commencez à réfléchir à la manière de concevoir une architecture de mission qui vous permet d'avoir une puissance constante, c'est alors que le nucléaire entre en jeu", a-t-elle déclaré. "Parce que vous avez besoin d'un système fiable qui vous fournira une alimentation continue pendant ces opérations nocturnes."

Pour Mars, la production continue d'électricité est également importante, en particulier pour la sécurité des astronautes qui y vivent. Vous voulez certainement un système électrique qui continuera à fonctionner dans toutes les conditions météorologiques, même pendant un système de poussière, et l'énergie nucléaire peut vous le fournir.

Hernandez-Lugo a également souligné que les missions actuelles de la NASA sur Mars, comme Mars 2020, utilisent une combinaison des deux puissance pour l'hélicoptère Ingenuity et puissance nucléaire pour le rover Persévérance, pour répondre aux besoins particuliers du mission.

"En ce moment, au sein de l'agence, ils envisagent de faire progresser tous les différents systèmes d'alimentation pour les rendre disponibles sur des missions telles que la lune et Mars", a-t-elle déclaré. "Il y a donc une place pour tous les systèmes d'alimentation."

Cet article fait partie de Vie sur Mars — une série en 10 parties qui explore la science et la technologie de pointe qui permettront aux humains d'occuper Mars

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