Energi Luar Angkasa: Bagaimana Kita Menghasilkan Tenaga di Mars

Membangun kehadiran manusia di Mars akan menghadapi banyak tantangan, banyak di antaranya terkait dengan satu persyaratan penting: Kekuatan. Entah itu untuk menciptakan oksigen, mengemudikan kendaraan penjelajah, menyediakan panas dan cahaya, atau komunikasi, penghuni Mars di masa depan akan membutuhkan pasokan listrik yang konstan agar mereka tetap aman dan misi tetap berjalan.

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

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

Reaktor nuklir di luar angkasa

Rencana NASA untuk masa depan pembangkit listrik mencakup sistem fisi nuklir, di mana atom uranium dipecah di dalam reaktor untuk menghasilkan panas. Dibandingkan dengan sistem radioisotop (RTG) yang menggerakkan penjelajah seperti Perseverance, sistem fisi bisa melakukannya menghasilkan tenaga yang lebih besar sambil tetap berada pada ukuran kecil.

Pada bulan Maret 2018, proyek Kilopower milik badan tersebut mendemonstrasikan eksperimen fisi yang mampu menghasilkan daya sebesar 1 kilowatt, yang dapat digunakan sebagai dasar untuk reaktor luar angkasa di masa depan. Eksperimen tersebut, yang diberi nama KRUSTY, diambil dari nama Reaktor Kilopower Menggunakan Teknologi Stirling, ditenagai oleh inti uranium-235 yang dijelaskan NASA sebagai “seukuran gulungan tisu.” 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. Hal ini menjadikan konsep ini ideal untuk misi masa depan ke bulan dan, pada akhirnya, ke Mars.

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

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

“Idenya adalah untuk mendemonstrasikan sistem tersebut terlebih dahulu 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 itu, modifikasi desain apa pun yang diperlukan dapat dilakukan, dan dapat digunakan dalam misi masa depan ke Mars.

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

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

Keamanan tenaga nuklir

Salah satu faktor yang cenderung dikhawatirkan orang ketika menggunakan tenaga nuklir di Bumi adalah keselamatan, dan hal ini 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 juga dapat menyebabkan masalah pada peralatan elektronik di sekitarnya peralatan.

Untuk menjaga keamanan 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 mengenai penggunaan uranium yang diperkaya dalam sistem tenaga listrik, seperti yang digunakan dalam demonstrasi Kilopower. Bahan ini juga bisa digunakan untuk membuat senjata nuklir lho beberapa pemimpin politik khawatir bahwa penggunaannya dalam proyek luar angkasa dapat mendorong penyebarannya di Bumi.

Untuk mengatasi kekhawatiran ini, sistem fisi permukaan di masa depan dapat menggunakan uranium yang diperkaya dengan tingkat rendah, yang biasanya digunakan dalam reaktor daya di Bumi dan tidak dapat digunakan untuk senjata. “Desain uranium yang diperkaya dengan tingkat rendah sangat menarik dari sudut pandang pengurangan regulasi dan kepatuhan terhadap arahan kebijakan nuklir luar angkasa nasional baru-baru ini,” tulis Hernandez-Lugo sebagai tindak lanjutnya surel. “Penggunaan uranium yang diperkaya masih dimungkinkan jika misi tersebut mempunyai kebutuhan yang mendesak.”

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

Energi dari matahari

Namun, tenaga nuklir bukanlah satu-satunya pilihan pembangkit listrik: Salah satu pilihan tenaga 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 merupakan peneliti teknologi baru untuk misi luar angkasa, mengatakan Tren Digital dalam email bahwa tenaga surya memiliki keunggulan dibandingkan tenaga nuklir karena tidak memerlukan pengaman tambahan Pengukuran. Dia juga menunjukkan bahwa penggunaan teknologi tenaga surya secara ekstensif di Bumi berarti pengembangan berkelanjutan yang dapat diterapkan di luar angkasa misi: “Tenaga surya adalah teknologi yang berkembang pesat yang menawarkan kemudahan penggunaan, akses, dan kematangan tinggi selain sepenuhnya terbarukan,” katanya dikatakan.

Laju perkembangan yang cepat ini berarti para insinyur sedang merancang panel yang dapat menghasilkan lebih banyak listrik jumlah sinar matahari yang sama, dan Summerer memperkirakan tata surya di masa depan akan terus menerima lebih banyak sinar matahari efisien.

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

Namun seperti semua teknologi, ada batasan dalam penggunaan tenaga surya. “Kerugiannya adalah ketergantungannya pada sumber eksternal, matahari, dan semua kelemahan yang menyertainya,” kata Summerer. Dalam banyak situasi, pasokan listrik dari matahari hanya terjadi sebentar-sebentar. Di planet dengan siklus siang dan malam, baterai dapat digunakan untuk menyimpan kelebihan daya di siang hari dan tetap menyuplainya di malam hari. Namun hal ini menambah elemen besar lainnya pada sistem tenaga listrik serta lapisan kompleksitas tambahan.

Salah satu solusi futuristik yang sedang dipertimbangkan untuk masalah ini adalah pengembangan pembangkit listrik tenaga surya yang mengorbit, 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 mewujudkan gagasan ini.

Sinar matahari di Mars

Khusus untuk Mars, ada beberapa tantangan dalam penggunaan tenaga surya. Karena letaknya lebih jauh dari Matahari dibandingkan Bumi, maka lebih sedikit sinar matahari yang mencapai permukaan planet. Itu berarti penjelajah di Mars akan memiliki akses terhadap sekitar setengah dari radiasi matahari yang mereka dapatkan di Bumi.

Itu tidak berarti penggunaan tenaga surya tidak mungkin dilakukan di Mars, hanya saja misi harus sangat berhati-hati dalam penggunaan dayanya. Penjelajah Mars generasi sebelumnya milik NASA, 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 kompleks yang terkadang mengakibatkan badai debu global besar-besaran, yang untuk sementara menghalanginya sebagian besar cahaya matahari dan menutupi hampir semua benda di planet ini dengan lapisan debu – termasuk matahari panel. Hal itulah yang menyebabkan penjelajah Opportunity yang berumur sangat 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 orbital, Anda mungkin dapat menghasilkan energi yang cukup untuk habitat manusia. Namun dia juga mengakui ada manfaatnya menggabungkan tenaga surya dengan sumber tenaga lain seperti nuklir. “Tenaga surya di permukaan dan pada akhirnya dilengkapi dari orbit dapat menyediakan energi yang cukup untuk habitat manusia di Mars, namun seperti yang ditunjukkan oleh penjelajah terbaru, seperti seperti halnya Ketekunan yang baru saja hadir, terkadang sumber tenaga nuklir kecil memberikan keunggulan kompetitif yang begitu besar sehingga saya berharap sumber daya ini juga berperan,” dia menulis.

Memilih sumber listrik yang tepat untuk misi tersebut

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

Ada keuntungan tersendiri dari sistem nuklir untuk misi pemukiman manusia. Pertama, jika Anda ingin merancang sistem tenaga untuk digunakan di bulan dan Mars, seperti yang dilakukan NASA, Anda harus menghadapi periode kegelapan selama dua minggu di bulan.

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

Bagi Mars, pembangkitan listrik secara berkelanjutan juga penting, terutama demi keselamatan astronot yang tinggal di sana. Anda pasti menginginkan sistem tenaga yang akan tetap berfungsi dalam kondisi cuaca apa pun, bahkan saat sistem berdebu, dan tenaga nuklir dapat menyediakannya.

Hernandez-Lugo juga menunjukkan bahwa misi NASA ke Mars saat ini, seperti Mars 2020, menggunakan kombinasi energi matahari dan energi surya. tenaga untuk helikopter Ingenuity dan tenaga nuklir untuk penjelajah Perseverance, untuk memenuhi kebutuhan khusus misi.

“Saat ini, di dalam badan tersebut, mereka sedang mempertimbangkan untuk mengembangkan semua sistem tenaga yang berbeda agar tersedia untuk misi seperti bulan dan Mars,” katanya. “Jadi ada tempat untuk semua sistem tenaga listrik.”

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

Rekomendasi Editor

• Perjalanan kosmologis: Logistik rumit dalam menempatkan manusia di Mars
• Menyempurnakan tenaga penggerak: Bagaimana kita akan membawa manusia ke Mars
• Kastil yang terbuat dari pasir: Bagaimana kita membuat habitat dengan tanah Mars
• Memanen hidrasi: Bagaimana pemukim masa depan akan membuat dan mengumpulkan air di Mars
• Astroagriculture: Bagaimana kita bercocok tanam di Mars