Izvanzemaljska energija: Kako ćemo generirati energiju na Marsu

Postavljanje ljudske prisutnosti na Marsu dolazi s velikim rasponom izazova, od kojih su mnogi povezani s jednim bitnim zahtjevom: Snagom. Bilo da je za stvaranje kisika, vožnje rovera, pružanja topline i svjetla ili komunikacije, budući će stanovnici Marsa trebati stalnu opskrbu električnom energijom kako bi bili sigurni i kako bi misija radila.

Ipak, na Marsu nema električne mreže, a sadašnja rješenja mogu nas odvesti samo tako daleko. Dakle, kako će izgledati prva elektrana izvan planeta? Stupili smo u kontakt s dvoje ljudi koji rade na vrhuncu svemirskih energetskih sustava u dvije različite agencije kako bismo saznali.

Ovaj je članak dio Život na Marsu — serija od 10 dijelova koja istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da okupiraju Mars

Nuklearni reaktori u svemiru

NASA-ini planovi za budućnost proizvodnje električne energije uključuju sustave nuklearne fisije, u kojima se atomi urana cijepaju unutar reaktora za stvaranje topline. U usporedbi s radioizotopnim sustavima (RTG) koje pokreću roveri poput Perseverancea, fisijski sustavi mogu

proizvesti više snage dok još uvijek ostaje na maloj veličini.

U ožujku 2018., agencijski projekt Kilopower pokazao je fisijski eksperiment koji može proizvesti 1 kilovat energije, što bi se moglo koristiti kao osnova za buduće svemirske reaktore. Eksperiment, nazvan KRUSTY prema reaktoru Kilopower koji koristi Stirlingovu tehnologiju, bio je pokretan jezgrom od urana-235 koji NASA je opisala kao "otprilike veličine rolne papirnatog ručnika". To je generiralo toplinu, koja se zatim pretvarala u električnu energiju pomoću mehanizma koji se zove Stirlingov motor.

Budući fisijski površinski energetski sustav bit će malen i lagan i mogao bi raditi najmanje 10 godina. To čini koncept idealnim za buduće misije na Mjesec i, na kraju, na Mars.

Prošle je godine NASA, zajedno s Ministarstvom energetike, pozvala industriju na ideje za sustav od 10 kilovata. Četiri ili pet takvih jedinica moglo bi napajati Marsovo stanište sa svime što to podrazumijeva - poput proizvodnje kisika za rakete pogonskog goriva, kao i zadovoljavanje potreba tri do četiri astronauta, za što se procjenjuje da je potrebno ukupno oko 40 kilovata.

Dionne Hernandez-Lugo bila je voditeljica projekta za Kilopower, a sada je zamjenica voditelja projekta za NASA-inu fisijsku površinsku energiju demonstraciju lunarne tehnologije, a rekla je za Digital Trends da namjeravaju testirati prvu jedinicu na Mjesecu unutar sljedećeg desetljeće.

"Ideja je demonstrirati sustav prvo na Mjesecu kao dio programa Artemis", rekla je. “Naš projekt je usmjeren na razvoj sustava od 10 kilovata i prvu demonstraciju na Mjesecu. To bi nam pomoglo da razumijemo sustav.” Nakon toga mogle bi se izvršiti sve potrebne izmjene u dizajnu i mogao bi se koristiti u budućim misijama na Mars.

Plan za prvi test na Mjesecu je da pogonska jedinica ostane unutar lunarnog lendera. Ostavljanje jedinice u lenderu "pomaže lakšem radu sustava umjesto preuzimanja dodatne mase koja bi omogućila uklanjanje", objasnila je. To je ono na čemu njezin tim radi. Ali također se nadaju da će vidjeti ideje iz industrije o tome kako bi uklonjivi sustav također mogao funkcionirati. "Trenutno, unutar naše grupe, ideja je ostaviti sustav unutar lendera", rekla je. "Ali postoji mnogo inovacija, au ovom trenutku tražimo te inovacije od industrije kako bismo vidjeli druge mogućnosti koje bi ona imala."

Interna studija NASA-e procijenila je da će svaka jedinica od 10 kilovata biti visoka oko šest metara (19,6 stopa) i široka preko dva metra (6,5 stopa), iako će točni detalji ovisiti o konačnom dizajnu. Konceptna slika (iznad) koju je napravila NASA prikazuje četiri takve jedinice povezane zajedno na površini Marsa kako bi osigurale energiju za tamošnju bazu, tako da možete zamisliti kako bi marsovska elektrana mogla izgledati.

Sigurnost nuklearne energije

Jedan čimbenik koji ljude obično zanima kada se radi o korištenju nuklearne energije na Zemlji je sigurnost, a to se također odnosi i na svemirske misije. Radioaktivni elementi koji se koriste u nuklearnim reaktorima, poput urana koji se koristi u demonstraciji Kilopowera, ispuštaju zračenje koje je opasno za ljude i koje također može uzrokovati probleme s obližnjom elektronikom oprema.

Kako bi ljudi i elektronika bili sigurni, fisijski energetski sustavi okruženi su debelim metalnim štitom koji zadržava zračenje. Svaki novi sustav napajanja za misiju na Mars bio bi podvrgnut opsežnim ispitivanjima na Zemlji kako bi se to osiguralo bio je siguran čak i pod ekstremnim uvjetima, kao što su operativna ispitivanja, vakuumska ispitivanja i vibracija testiranje.

Hernandez-Lugo je istaknuo da je NASA već lansirala više od 20 misija u prošlosti koje su koristile različite vrste nuklearnih energetskih sustava, “tako da NASA ima stručnost i iskustvo u lansiranju nuklearnih energetskih sustava na Mjesec i Mars."

Također postoji zabrinutost zbog upotrebe visoko obogaćenog urana u elektroenergetskim sustavima, što je i korišteno u demonstraciji Kilopower. Ovaj materijal se također može koristiti za izradu nuklearnog oružja, tako neki politički lideri su zabrinuti da bi njegovo korištenje u svemirskim projektima moglo potaknuti njegovo širenje na Zemlji.

Kako bi se riješili ti problemi, budući sustavi površinske fisije mogli bi umjesto toga koristiti nisko obogaćeni uran, koji se obično koristi u energetskim reaktorima na Zemlji i nije za oružje. „Dizajni nisko obogaćenog urana vrlo su privlačni iz perspektive smanjene regulacije i usklađenost s nedavnim nacionalnim direktivama svemirske nuklearne politike,” napisao je Hernandez-Lugo u nastavku elektronička pošta. "Uporaba visoko obogaćenog urana još uvijek je moguća ako misija ima prevladavajuću potrebu."

The najnovija direktiva o svemirskoj politici, koji je Bijela kuća objavila u prosincu prošle godine, dopušta samo korištenje visoko obogaćenog urana ako ga odobre različita državna tijela i ako se može pokazati da je to jedini način da se dovrši a misija.

Energija iz sunca

Nuklearna energija ipak nije jedina opcija za proizvodnju električne energije: jedna od najčešćih opcija energije koja se trenutno koristi za svemirske misije je solarna energija. Europska svemirska agencija (ESA) koristi solarnu energiju za praktički sve svoje misije, a njezin nadolazeći marsovski rover, nazvan Rosalind Franklin, također će biti na solarni pogon.

Leopold Summerer, voditelj tima za napredne koncepte u ESA-i koji istražuje nove tehnologije za svemirske misije, rekao je Digital Trends u e-poruci da solarna energija ima prednost u odnosu na nuklearnu jer ne treba dodatnu sigurnost mjere. Također je istaknuo da ekstenzivna uporaba tehnologije solarne energije na Zemlji znači stalni razvoj koji se može primijeniti u svemiru misije: "Solarna energija je tehnologija koja se brzo razvija i nudi jednostavnu upotrebu, pristup i visoku zrelost uz to što je potpuno obnovljiva", rekao je rekao je.

Ova brza stopa razvoja znači da inženjeri dizajniraju ploče koje mogu proizvesti još više električne energije istu količinu sunčeve svjetlosti, a Summerer očekuje da će budući solarni sustavi nastaviti dobivati ​​više učinkovit.

"U svemiru je učinkovitost još važnija nego na zemlji i mi neprestano guramo ono što je tehnički moguće", rekao je Summerer. Relativno mala povećanja u učinkovitosti i masi solarnih ćelija mogu napraviti veliku razliku u ukupnoj cijeni solarnih sustava, posebno za manje letjelice poput satelita.

Ali kao i sve druge tehnologije, postoje ograničenja u korištenju solarne energije. "Nedostatak mu je što ovisi o vanjskom izvoru, suncu, i svim nedostacima koji dolaze s tim", rekao je Summerer. U mnogim situacijama napajanje od sunca je samo povremeno. Na planetu s dnevnim i noćnim ciklusom, baterije se mogu koristiti za pohranjivanje viška energije tijekom dana i nastavak opskrbe noću. Ali to dodaje još jedan glomazan element u sustav napajanja, kao i dodatni sloj složenosti.

Jedno futurističko rješenje ovog problema koje se razmatra je razvoj solarne elektrane u orbiti, koji bi mogao raditi u tandemu sa solarnim panelima na površini kako bi skupljao energiju sunca i bežično je prenosio na površinu. ESA je trenutno traženje pojmova kako bi ovu ideju pretvorili u stvarnost.

Sunčeva svjetlost na Marsu

Kad je riječ konkretno o Marsu, postoje neki izazovi s korištenjem solarne energije. Budući da je udaljeniji od sunca od Zemlje, manje sunčeve svjetlosti dopire do površine planeta. To znači da će istraživači na Marsu imati pristup otprilike polovici sunčevog zračenja nego na Zemlji.

To ne znači da je korištenje solarne energije nemoguće na Marsu, samo da misije moraju biti vrlo oprezne s korištenjem energije. Prethodna generacija NASA-inih marsohoda, Spirit i Opportunity, koristila je solarnu energiju, a sadašnji orbiteri poput Mars Expressa i Mars Orbiter Mission također se napajaju solarnom energijom.

Međutim, postoji još jedan problem na Marsu: Peščane oluje. Mars ima složen vremenski sustav koji povremeno rezultira velikim globalnim olujama prašine, privremeno blokirajući velik dio sunčeve svjetlosti i prekriva praktički sve na planetu u sloju prašine - uključujući solarnu ploče. To je ono što je uzrokovalo da se nevjerojatno dugovječni rover Opportunity na kraju zatamni, kada se golema pješčana oluja zakotrljala planetom 2018.

Summerer smatra da bi se kombinacijom površinskih i orbitalnih solarnih elektrana vjerojatno moglo proizvesti dovoljno energije za ljudsko stanište. No također je priznao da postoji vrijednost u kombiniranju solarne energije s drugim izvorima energije poput nuklearne. “Solarna energija na površini i eventualno dopunjena iz orbite može osigurati dovoljno energije za ljudska staništa na Marsu, ali kao što pokazuju najnoviji roveri, kao što je Perseverance koji je upravo sletio, ponekad mali nuklearni izvori energije pružaju tako veliku konkurentsku prednost da bih očekivao da i oni igraju važnu ulogu,” rekao je napisao.

Odabir pravog izvora energije za misiju

Hernandez-Lugo se složio da postoji potencijalna vrijednost svih vrsta energetskih sustava za misiju na Mars, uključujući solarnu energiju, baterije i nuklearnu energiju. "Sustav napajanja ovisit će o specifičnoj misiji", rekla je. NASA-in Glenn Research Center, gdje ona radi, je centar za razvoj snage za NASA-u i provodi istraživanja u širokom razne mogućnosti napajanja, uključujući baterije, solarne ćelije, radioizotopne sustave, fisijske energetske sustave i regenerativno gorivo Stanice. Ključno je odabrati pravi izvor energije za potrebe misije, na temelju dostupnih resursa.

Postoje jasne prednosti nuklearnog sustava za misije stanovanja ljudi. Prvo, kada želite dizajnirati energetski sustav za korištenje i na Mjesecu i na Marsu, kao što to čini NASA, tada se morate pozabaviti dvotjednim razdobljima tame na Mjesecu.

"Kada počnete razmišljati o tome kako dizajnirati arhitekturu misije koja vam omogućuje stalnu snagu, tada nuklearna energija ulazi u igru", rekla je. "Zato što vam je potreban pouzdan sustav koji će vam dati neprekidno napajanje tijekom tih noćnih operacija."

Za Mars je također važna stalna proizvodnja energije, posebno za sigurnost astronauta koji tamo žive. Definitivno želite energetski sustav koji će nastaviti raditi u svim vremenskim uvjetima, čak i tijekom prašnjavog sustava, a nuklearna energija to može pružiti.

Hernandez-Lugo također je istaknuo da trenutne misije NASA-e na Mars, poput Marsa 2020, koriste kombinaciju oba solarna snaga za helikopter Ingenuity i nuklearna energija za rover Perseverance, kako bi se zadovoljile posebne potrebe misija.

"Unutar agencije trenutno gledaju na unapređenje svih različitih sustava napajanja kako bi bili dostupni u misijama kao što su Mjesec i Mars", rekla je. "Dakle, postoji mjesto za sve sustave napajanja."

Ovaj je članak dio Život na Marsu — serija od 10 dijelova koja istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da okupiraju Mars

Preporuke urednika

• Kozmološko putovanje na posao: Zamršena logistika slanja ljudi na Mars
• Usavršavanje pogona: Kako ćemo odvesti ljude na Mars
• Dvorci od pijeska: Kako ćemo napraviti staništa s Marsovim tlom
• Žetva hidratacije: Kako će budući doseljenici stvarati i skupljati vodu na Marsu
• Astropoljoprivreda: Kako ćemo uzgajati usjeve na Marsu