Energi Luar Angkasa: Bagaimana Kita Menghasilkan Tenaga di Mars

Menyiapkan kehadiran manusia di Mars akan datang dengan sejumlah besar tantangan, banyak di antaranya terkait dengan satu persyaratan penting: Kekuasaan. Entah itu untuk menciptakan oksigen, mengemudikan penjelajah, menyediakan panas dan cahaya, atau komunikasi, penghuni Mars di masa depan akan membutuhkan pasokan listrik yang konstan agar mereka tetap aman dan menjalankan misi.

Tidak ada jaringan listrik di Mars, dan solusi saat ini hanya dapat membawa kita sejauh ini. Jadi seperti apa pembangkit listrik pertama di luar planet? Kami menghubungi dua orang yang bekerja di ujung tombak sistem tenaga luar angkasa di dua agensi berbeda untuk mencari tahu.

Artikel ini adalah bagian dari Kehidupan di Mars — seri 10 bagian yang mengeksplorasi sains dan teknologi mutakhir yang memungkinkan manusia menduduki Mars

Reaktor nuklir di luar angkasa

Rencana NASA untuk masa depan pembangkit listrik termasuk sistem fisi nuklir, di mana atom uranium dipecah di dalam reaktor untuk menghasilkan panas. Dibandingkan dengan sistem radioisotop (RTG) yang bertenaga seperti Ketekunan, sistem fisi bisa menghasilkan tenaga lebih sementara masih tinggal di ukuran kecil.

Pada bulan Maret 2018, proyek Kilopower badan tersebut mendemonstrasikan eksperimen fisi yang mampu menghasilkan daya 1 kilowatt, yang dapat digunakan sebagai dasar reaktor luar angkasa di masa depan. Percobaan, dijuluki KRUSTY setelah Reaktor Kilopower Menggunakan Stirling TechnologY, didukung oleh inti uranium-235 yang dijelaskan NASA sebagai "seukuran gulungan handuk kertas." Ini menghasilkan panas, yang kemudian diubah menjadi listrik melalui mekanisme yang disebut mesin Stirling.

Sistem tenaga permukaan fisi di masa depan akan berukuran kecil dan ringan serta dapat beroperasi setidaknya selama 10 tahun. Itu membuat konsep ideal untuk misi masa depan ke bulan dan, akhirnya, ke Mars.

Tahun lalu, NASA, bersama Departemen Energi, mengundang ide dari industri untuk sistem 10 kilowatt. Empat atau lima unit seperti itu dapat memberi daya pada habitat Mars dengan semua yang diperlukan — seperti produksi oksigen untuk roket propelan sekaligus memenuhi kebutuhan tiga hingga empat astronot, yang diperkirakan membutuhkan total sekitar 40 kilowatt.

Dionne Hernandez-Lugo adalah manajer proyek untuk Kilopower dan sekarang menjadi wakil manajer proyek untuk tenaga permukaan fisi NASA demonstrasi teknologi bulan, dan dia mengatakan kepada Digital Trends bahwa mereka berniat untuk menguji unit pertama di bulan dalam waktu berikutnya dasawarsa.

“Idenya adalah mendemonstrasikan sistem ini pertama kali di bulan sebagai bagian dari program Artemis,” katanya. “Proyek kami sedang mengembangkan sistem 10 kilowatt dan melakukan demonstrasi pertama di bulan. Itu akan membantu kami memahami sistemnya.” Setelah ini, setiap modifikasi desain yang diperlukan dapat dilakukan, dan dapat digunakan dalam misi masa depan ke Mars.

Rencana untuk tes pertama di bulan adalah agar unit daya tetap berada di dalam pendarat bulan. Membiarkan unit di pendarat “membantu pengoperasian sistem yang lebih mudah daripada mengambil massa ekstra yang memungkinkan untuk dipindahkan,” jelasnya. Itulah yang sedang dikerjakan timnya. Tetapi mereka juga berharap untuk melihat ide dari industri tentang bagaimana sistem yang dapat dilepas juga dapat bekerja. “Saat ini, di dalam kelompok kami, idenya adalah meninggalkan sistem di dalam pendarat,” katanya. “Tapi ada banyak inovasi di luar sana, dan saat ini kami sedang mencari inovasi tersebut dari industri untuk melihat opsi lain yang akan mereka miliki.”

Sebuah studi internal NASA memperkirakan bahwa setiap unit 10 kilowatt akan memiliki tinggi sekitar enam meter (19,6 kaki) dan lebar lebih dari dua meter (6,5 kaki), meskipun detail pastinya akan bergantung pada desain akhir. Sebuah gambar konsep (di atas) yang diproduksi oleh NASA menunjukkan empat unit yang terhubung bersama di permukaan Mars untuk menyediakan tenaga bagi pangkalan di sana, sehingga Anda dapat membayangkan seperti apa pembangkit listrik di Mars.

Keamanan tenaga nuklir

Salah satu faktor yang cenderung diperhatikan orang ketika menggunakan tenaga nuklir di Bumi adalah keamanan, dan itu juga berlaku untuk misi luar angkasa. Unsur radioaktif yang digunakan dalam reaktor tenaga nuklir, seperti uranium yang digunakan dalam demonstrasi Kilopower, mengeluarkan radiasi yang berbahaya bagi manusia dan yang juga dapat menyebabkan masalah elektronik di sekitarnya peralatan.

Untuk menjaga keselamatan manusia dan elektronik, sistem tenaga fisi dikelilingi oleh pelindung logam tebal yang mengandung radiasi. Setiap sistem tenaga baru untuk misi Mars akan diuji secara ekstensif di Bumi untuk memastikannya aman bahkan dalam kondisi ekstrim, seperti pengujian operasional, pengujian vakum, dan getaran pengujian.

Hernandez-Lugo menunjukkan bahwa NASA telah meluncurkan lebih dari 20 misi di masa lalu yang menggunakan berbagai jenis sistem tenaga nuklir, “sehingga NASA memiliki keahlian dan latar belakang dalam meluncurkan sistem tenaga nuklir baik ke bulan maupun ke bulan Mars."

Ada juga kekhawatiran tentang penggunaan uranium yang diperkaya tinggi dalam sistem tenaga, yang digunakan oleh demonstrasi Kilopower. Bahan ini juga bisa digunakan untuk membuat senjata nuklir, jadi beberapa pemimpin politik khawatir bahwa menggunakannya dalam proyek luar angkasa dapat mendorong perkembangbiakannya di Bumi.

Untuk mengatasi masalah ini, sistem fisi permukaan masa depan dapat menggunakan uranium yang diperkaya rendah sebagai gantinya, yang biasa digunakan dalam reaktor daya di Bumi dan bukan untuk senjata. “Rancangan uranium yang diperkaya rendah sangat menarik dari perspektif pengurangan regulasi dan kepatuhan dengan arahan kebijakan nuklir luar angkasa nasional baru-baru ini, ”tulis Hernandez-Lugo sebagai tindak lanjut surel. “Penggunaan uranium yang diperkaya tinggi masih dimungkinkan jika misi memiliki kebutuhan yang kuat.”

Itu arahan kebijakan luar angkasa terbaru, dirilis oleh Gedung Putih pada Desember tahun lalu, hanya memungkinkan penggunaan uranium yang diperkaya tinggi jika disetujui oleh berbagai badan pemerintah dan dapat ditunjukkan sebagai satu-satunya cara untuk menyelesaikan a misi.

Energi dari matahari

Tenaga nuklir bukan satu-satunya pilihan untuk pembangkit listrik, meskipun: Salah satu pilihan daya yang paling umum digunakan untuk misi luar angkasa saat ini adalah tenaga surya. Badan Antariksa Eropa (ESA) menggunakan tenaga surya untuk hampir semua misinya, dan penjelajah Mars yang akan datang, yang disebut Rosalind Franklin, juga akan bertenaga surya.

Leopold Summerer, Kepala Tim Konsep Lanjutan di ESA yang menjadi peneliti teknologi baru untuk misi luar angkasa, mengatakan Tren Digital dalam email bahwa tenaga surya memiliki keunggulan dibandingkan tenaga nuklir karena tidak memerlukan keamanan tambahan Pengukuran. Dia juga menunjukkan bahwa penggunaan ekstensif teknologi tenaga surya di Bumi berarti perkembangan konstan yang dapat diterapkan di luar angkasa misi: “Tenaga surya adalah teknologi yang berkembang pesat yang menawarkan kemudahan penggunaan, akses, dan kematangan yang tinggi selain sepenuhnya terbarukan,” dia dikatakan.

Tingkat perkembangan yang cepat ini berarti para insinyur merancang panel yang dapat menghasilkan lebih banyak listrik jumlah sinar matahari yang sama, dan Summerer berharap tata surya masa depan akan terus mendapatkan lebih banyak efisien.

“Di luar angkasa, efisiensi bahkan lebih penting daripada di darat dan kami terus mendorong apa yang mungkin secara teknis,” kata Summerer. Peningkatan yang relatif kecil dalam efisiensi dan massa sel surya dapat membuat perbedaan besar dalam total biaya tata surya, terutama untuk satelit yang lebih kecil.

Tapi seperti semua teknologi, ada batasan dalam penggunaan tenaga surya. “Memiliki kelemahan karena bergantung pada sumber eksternal, matahari, dan semua kekurangan yang menyertainya,” kata Summerer. Dalam banyak situasi, daya dari matahari hanya terputus-putus. Di planet dengan siklus siang dan malam, baterai dapat digunakan untuk menyimpan kelebihan daya di siang hari dan tetap mensuplainya di malam hari. Tapi ini menambah elemen besar lainnya ke sistem tenaga serta lapisan kerumitan tambahan.

Salah satu solusi futuristik untuk masalah ini sedang dipertimbangkan adalah pengembangan mengorbit pembangkit listrik tenaga surya, yang dapat bekerja bersama-sama dengan panel tenaga surya di permukaan untuk mengumpulkan energi dari matahari dan memancarkannya ke permukaan secara nirkabel. ESA saat ini mencari konsep untuk membuat ide ini menjadi kenyataan.

Sinar matahari di Mars

Khusus untuk Mars, ada beberapa tantangan dalam menggunakan tenaga surya. Karena jaraknya lebih jauh dari matahari daripada Bumi, lebih sedikit sinar matahari yang mencapai permukaan planet. Itu berarti penjelajah di Mars akan memiliki akses ke sekitar setengah dari radiasi matahari yang mereka dapatkan di Bumi.

Itu tidak berarti menggunakan tenaga surya tidak mungkin dilakukan di Mars, hanya saja misi harus sangat berhati-hati dengan penggunaan daya mereka. Penjelajah Mars NASA generasi sebelumnya, Spirit and Opportunity, menggunakan tenaga surya, dan pengorbit saat ini seperti Mars Express dan Mars Orbiter Mission juga bertenaga surya.

Namun, ada masalah lain di Mars: Badai debu. Mars memiliki sistem cuaca yang kompleks yang kadang-kadang menghasilkan badai debu global besar-besaran, untuk sementara terhalang sebagian besar cahaya matahari dan menutupi hampir semua yang ada di planet ini dalam lapisan debu – termasuk matahari panel. Itulah yang menyebabkan rover Opportunity yang berumur panjang akhirnya menjadi gelap, ketika badai debu besar melanda planet ini pada tahun 2018.

Summerer berpikir bahwa dengan menggabungkan pembangkit listrik tenaga surya permukaan dan orbit, Anda mungkin dapat menghasilkan daya yang cukup untuk habitat manusia. Namun dia juga mengakui ada nilai dalam menggabungkan tenaga surya dengan sumber tenaga lain seperti nuklir. “Tenaga surya di permukaan dan akhirnya dilengkapi dari orbit dapat memberikan daya yang cukup untuk habitat manusia di Mars, tetapi seperti yang ditunjukkan oleh penjelajah terbaru, seperti sebagai Ketekunan yang baru saja mendarat, terkadang sumber tenaga nuklir kecil memberikan keunggulan kompetitif yang begitu besar sehingga saya berharap ini juga berperan, ”dia menulis.

Memilih sumber daya yang tepat untuk misi

Hernandez-Lugo setuju bahwa ada nilai potensial dalam semua jenis sistem tenaga untuk misi Mars, termasuk tenaga surya, baterai, dan nuklir. “Sistem tenaga akan bergantung pada misi spesifik,” katanya. Pusat Penelitian Glenn NASA, tempat dia bekerja, adalah pusat pengembangan daya untuk NASA dan melakukan penelitian secara luas berbagai pilihan daya, termasuk baterai, sel surya, sistem isotop radio, sistem tenaga fisi, dan bahan bakar regeneratif sel. Kuncinya adalah memilih sumber daya yang tepat untuk kebutuhan misi, berdasarkan sumber daya yang tersedia.

Ada keuntungan yang berbeda untuk sistem nuklir untuk misi tempat tinggal manusia. Pertama, saat Anda ingin merancang sistem tenaga untuk digunakan di bulan dan di Mars, seperti yang dilakukan NASA, Anda harus berurusan dengan periode kegelapan selama dua minggu di bulan.

“Ketika Anda mulai berpikir tentang bagaimana Anda merancang arsitektur misi yang memungkinkan Anda memiliki kekuatan konstan, maka saat itulah nuklir berperan,” katanya. “Karena Anda memerlukan sistem andal yang akan memberi Anda daya terus menerus selama operasi malam itu.”

Bagi Mars, pembangkitan tenaga yang berkelanjutan juga penting, terutama untuk keselamatan astronot yang tinggal di sana. Anda pasti menginginkan sistem tenaga yang akan tetap bekerja dalam kondisi cuaca apa pun, bahkan selama sistem debu, dan tenaga nuklir dapat menyediakannya.

Hernandez-Lugo juga menunjukkan bahwa misi NASA saat ini ke Mars, seperti Mars 2020, menggunakan kombinasi kedua energi surya. daya untuk helikopter Ingenuity dan tenaga nuklir untuk penjelajah Ketekunan, agar sesuai dengan kebutuhan khusus misi.

“Saat ini, di dalam agensi, mereka sedang berupaya memajukan semua sistem tenaga yang berbeda agar tersedia di misi seperti bulan dan Mars,” katanya. “Jadi ada tempat untuk semua sistem tenaga.”

Artikel ini adalah bagian dari Kehidupan di Mars — seri 10 bagian yang mengeksplorasi sains dan teknologi mutakhir yang memungkinkan manusia menduduki Mars

Rekomendasi Editor

• Perjalanan kosmologis: Logistik rumit untuk menempatkan orang di Mars
• Menyempurnakan daya dorong: Bagaimana kita membawa manusia ke Mars
• Kastil yang terbuat dari pasir: Bagaimana kita akan membuat habitat dengan tanah Mars
• Memanen hidrasi: Bagaimana pemukim masa depan akan membuat dan mengumpulkan air di Mars
• Astroagriculture: Bagaimana kita menanam tanaman di Mars