Stabilire una presenza umana su Marte comporterà una vasta gamma di sfide, molte delle quali sono legate a un requisito essenziale: il potere. Che sia per creando ossigeno, guidando rover, fornendo calore e luce o comunicazioni, i futuri residenti su Marte avranno bisogno di una fornitura costante di elettricità per tenerli al sicuro e continuare la missione.
Contenuti
- Reattori nucleari nello spazio
- La sicurezza del nucleare
- Energia dal sole
- La luce del sole su Marte
- Scegliere la giusta fonte di energia per la missione
Tuttavia, su Marte non esiste una rete elettrica e le soluzioni attuali possono portarci solo fino a un certo punto. Allora come sarà la prima centrale elettrica fuori dal pianeta? Ci siamo messi in contatto con due persone che lavorano all'avanguardia dei sistemi di alimentazione spaziale in due diverse agenzie per scoprirlo.
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Questo articolo fa parte di Vita su Marte - una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che consentiranno agli esseri umani di occupare Marte
Reattori nucleari nello spazio
I piani della NASA per il futuro della generazione di energia includono sistemi di fissione nucleare, in cui gli atomi di uranio vengono divisi all'interno di un reattore per generare calore. Rispetto ai sistemi di radioisotopi (RTG) che alimentano rover come Perseverance, i sistemi di fissione possono farlo produrre più potenza pur rimanendo di piccole dimensioni.
Nel marzo 2018, il progetto Kilopower dell'agenzia ha dimostrato un esperimento di fissione in grado di produrre 1 kilowatt di energia, che potrebbe essere utilizzato come base per i futuri reattori spaziali. L'esperimento, soprannominato KRUSTY dopo il Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY, era alimentato da un nucleo di uranio-235 che descritto dalla NASA come "delle dimensioni di un rotolo di carta assorbente". Questo generava calore, che veniva poi convertito in elettricità attraverso un meccanismo chiamato motore Stirling.
Un futuro sistema di alimentazione di superficie a fissione sarà piccolo e leggero e potrebbe funzionare per almeno 10 anni. Ciò rende il concetto ideale per future missioni sulla luna e, infine, su Marte.
L'anno scorso, la NASA, insieme al Dipartimento dell'Energia, ha invitato le idee dell'industria per un sistema da 10 kilowatt. Quattro o cinque di queste unità potrebbero alimentare un habitat su Marte con tutto ciò che comporta, come la produzione di ossigeno per un razzo propellente oltre a soddisfare le esigenze di tre o quattro astronauti, che si stima richiedano un totale di circa 40 kilowatt.
Dionne Hernandez-Lugo era il project manager di Kilopower ed è ora il vice project manager per l'energia di superficie a fissione della NASA dimostrazione della tecnologia lunare, e ha detto a Digital Trends che intendono testare la prima unità sulla luna entro il prossimo decennio.
"L'idea è di dimostrare il sistema prima sulla luna come parte del programma Artemis", ha detto. “Il nostro progetto sta cercando di sviluppare un sistema da 10 kilowatt e fare la prima dimostrazione sulla luna. Questo ci aiuterebbe a capire il sistema”. Successivamente, potrebbe essere apportata qualsiasi modifica progettuale richiesta e potrebbe essere utilizzata in future missioni su Marte.
Il piano per il primo test sulla luna è che l'unità di potenza rimanga all'interno del lander lunare. Lasciare l'unità nel lander "aiuta con operazioni più semplici del sistema piuttosto che prendere la massa extra che ne consentirebbe la rimozione", ha spiegato. Questo è ciò su cui sta lavorando il suo team. Ma sperano anche di vedere idee dall'industria su come potrebbe funzionare anche un sistema rimovibile. "In questo momento, all'interno del nostro gruppo, l'idea è di lasciare il sistema all'interno del lander", ha detto. "Ma ci sono molte innovazioni là fuori, e in questo momento stiamo cercando quelle innovazioni dall'industria per vedere altre opzioni che avrebbero".
Uno studio interno della NASA ha stimato che ogni unità da 10 kilowatt sarà alta circa sei metri (19,6 piedi) e larga più di due metri (6,5 piedi), anche se i dettagli esatti dipenderanno dal progetto finale. Un'immagine concettuale (sopra) prodotta dalla NASA mostra quattro di queste unità collegate tra loro sulla superficie di Marte per fornire energia a una base lì, quindi puoi immaginare come potrebbe essere una centrale elettrica marziana.
La sicurezza del nucleare
Un fattore di cui le persone tendono a preoccuparsi quando si tratta di utilizzare l'energia nucleare sulla Terra è la sicurezza, e questo vale anche per le missioni spaziali. Gli elementi radioattivi usati nei reattori nucleari, come l'uranio usato nella dimostrazione Kilopower, emettono radiazioni pericolose per l'uomo e che possono anche causare problemi con l'elettronica vicina attrezzatura.
Per proteggere sia le persone che l'elettronica, i sistemi di alimentazione a fissione sono circondati da una spessa schermatura metallica che contiene le radiazioni. Qualsiasi nuovo sistema di alimentazione per una missione su Marte verrebbe sottoposto a test approfonditi sulla Terra per assicurarsene era sicuro anche in condizioni estreme, come test operativi, test del vuoto e vibrazioni test.
Hernandez-Lugo ha sottolineato che la NASA ha già lanciato in passato oltre 20 missioni che hanno utilizzato vari tipi di sistemi di energia nucleare, “quindi la NASA ha esperienza e esperienza nel lancio di sistemi di energia nucleare sia sulla luna che Marte."
C'è anche una preoccupazione per l'uso di uranio altamente arricchito nei sistemi di alimentazione, che è ciò che ha utilizzato la dimostrazione di Kilopower. Questo materiale può anche essere usato per fabbricare armi nucleari, quindi alcuni leader politici sono preoccupati che il suo utilizzo in progetti spaziali potrebbe incoraggiarne la proliferazione sulla Terra.
Per affrontare queste preoccupazioni, i futuri sistemi di fissione superficiale potrebbero invece utilizzare uranio a basso arricchimento, che è comunemente usato nei reattori di potenza sulla Terra e non è adatto alle armi. “I progetti di uranio a basso arricchimento sono molto attraenti dal punto di vista della regolamentazione ridotta e rispetto delle recenti direttive sulla politica nucleare spaziale nazionale", ha scritto Hernandez-Lugo in un follow-up e-mail. "L'uso di uranio altamente arricchito è ancora possibile se la missione ha un bisogno prevalente".
IL ultima direttiva sulla politica spaziale, rilasciato dalla Casa Bianca nel dicembre dello scorso anno, consente solo l'uso di uranio altamente arricchito se è approvato da vari enti governativi e si può dimostrare che è l'unico modo per completare a missione.
Energia dal sole
L'energia nucleare non è l'unica opzione per la generazione di energia, tuttavia: una delle opzioni di alimentazione più comuni utilizzate per le missioni spaziali in questo momento è l'energia solare. L'Agenzia spaziale europea (ESA) utilizza l'energia solare praticamente per tutte le sue missioni, e anche il suo prossimo rover su Marte, chiamato Rosalind Franklin, sarà alimentato a energia solare.
"Nello spazio, l'efficienza è ancora più importante che a terra e spingiamo costantemente ciò che è tecnicamente possibile".
Leopold Summerer, capo dell'Advanced Concepts Team dell'ESA, che ricerca le tecnologie emergenti per le missioni spaziali, ha detto Digital Trends in un'e-mail che l'energia solare ha un vantaggio rispetto all'energia nucleare in quanto non necessita di ulteriore sicurezza le misure. Ha anche sottolineato che l'uso estensivo della tecnologia dell'energia solare sulla Terra significa sviluppi costanti che possono essere applicati allo spazio missioni: "L'energia solare è una tecnologia in rapida evoluzione che offre facile utilizzo, accesso ed elevata maturità oltre ad essere completamente rinnovabile", ha disse.
Questo rapido tasso di sviluppo significa che gli ingegneri stanno progettando pannelli in grado di produrre ancora più elettricità la stessa quantità di luce solare e Summerer si aspetta che i futuri sistemi solari continueranno a riceverne di più efficiente.
"Nello spazio, l'efficienza è ancora più importante che a terra e stiamo costantemente spingendo ciò che è tecnicamente possibile", ha affermato Summerer. Aumenti relativamente piccoli dell'efficienza e della massa delle celle solari possono fare una grande differenza nel costo totale dei sistemi solari, in particolare per le imbarcazioni più piccole come i satelliti.
Ma come tutte le tecnologie, ci sono limitazioni sull'uso dell'energia solare. "Ha lo svantaggio di dipendere da una fonte esterna, il sole, e tutti gli svantaggi che ne derivano", ha detto Summerer. In molte situazioni, l'energia solare è solo intermittente. Su un pianeta con un ciclo diurno e notturno, le batterie possono essere utilizzate per immagazzinare l'energia in eccesso durante il giorno e continuare a fornirla di notte. Ma questo aggiunge un altro elemento ingombrante al sistema di alimentazione, nonché un ulteriore livello di complessità.
Una soluzione futuristica a questo problema in esame è lo sviluppo di centrali solari orbitanti, che potrebbe funzionare in tandem con i pannelli solari sulla superficie per raccogliere energia dal sole e trasmetterla alla superficie in modalità wireless. L'ESA è attualmente alla ricerca di concetti per trasformare questa idea in realtà.
La luce del sole su Marte
Quando si tratta specificamente di Marte, tuttavia, ci sono alcune sfide con l'utilizzo dell'energia solare. Poiché è più lontano dal sole rispetto alla Terra, meno luce solare raggiunge la superficie del pianeta. Ciò significa che gli esploratori su Marte avranno accesso a circa la metà dell'irraggiamento solare che avrebbero sulla Terra.
Ciò non significa che l'uso dell'energia solare sia impossibile su Marte, solo che le missioni devono stare molto attente al loro consumo di energia. I rover su Marte della generazione precedente della NASA, Spirit and Opportunity, utilizzavano l'energia solare e anche gli orbiter attuali come Mars Express e Mars Orbiter Mission sono alimentati a energia solare.
Tuttavia, c'è un altro problema su Marte: Tempeste di polvere. Marte ha un sistema meteorologico complesso che occasionalmente si traduce in massicce tempeste di polvere globali, che bloccano temporaneamente gran parte della luce del sole e copre praticamente tutto sul pianeta in uno strato di polvere, compreso il solare pannelli. Questo è ciò che ha causato l'oscuramento del rover Opportunity incredibilmente longevo, quando una massiccia tempesta di polvere ha attraversato il pianeta nel 2018.
Summerer pensa che combinando centrali solari di superficie e orbitali, probabilmente potresti generare abbastanza energia per un habitat umano. Ma ha anche riconosciuto l'utilità di combinare l'energia solare con altre fonti di energia come il nucleare. "L'energia solare in superficie e eventualmente integrata dall'orbita può fornire energia sufficiente per gli habitat umani su Marte, ma come dimostrato dagli ultimi rover, come come Perseverance che è appena atterrato, a volte piccole fonti di energia nucleare forniscono un vantaggio competitivo così grande che mi aspetto che anche queste abbiano un ruolo", ha ha scritto.
Scegliere la giusta fonte di energia per la missione
Hernandez-Lugo ha concordato che esiste un potenziale valore in tutti i tipi di sistemi di alimentazione per una missione su Marte, inclusi solare, batterie e nucleare. "Il sistema di alimentazione dipenderà dalla missione specifica", ha detto. Il Glenn Research Center della NASA, dove lavora, è il centro di sviluppo energetico della NASA e svolge ricerche su un ampio raggio varietà di opzioni di alimentazione, comprese batterie, celle solari, sistemi di isotopi radio, sistemi di alimentazione a fissione e combustibile rigenerativo cellule. La chiave è scegliere la giusta fonte di energia per le esigenze della missione, in base alle risorse disponibili.
Ci sono vantaggi distinti per un sistema nucleare per le missioni abitative umane. In primo luogo, quando si desidera progettare un sistema di alimentazione da utilizzare sia sulla luna che su Marte, come fa la NASA, è necessario affrontare i periodi di oscurità di due settimane sulla luna.
"Quando inizi a pensare a come progettare un'architettura di missione che ti permetta di avere una potenza costante, allora è allora che entra in gioco il nucleare", ha detto. "Perché hai bisogno di un sistema affidabile che ti fornisca alimentazione continua durante le operazioni notturne."
Per Marte, anche la generazione continua di energia è importante, soprattutto per la sicurezza degli astronauti che vi abitano. Sicuramente vuoi un sistema di alimentazione che continui a funzionare in qualsiasi condizione meteorologica, anche durante un sistema di polvere, e l'energia nucleare può fornirlo.
Hernandez-Lugo ha anche sottolineato che le attuali missioni della NASA su Marte, come Mars 2020, utilizzano una combinazione di entrambe le funzioni solari potenza per l'elicottero Ingenuity e energia nucleare per il rover Perseverance, per soddisfare le particolari esigenze del missione.
"In questo momento, all'interno dell'agenzia, stanno cercando di far avanzare tutti i diversi sistemi di alimentazione per renderli disponibili in missioni come la luna e Marte", ha detto. "Quindi c'è un posto per tutti i sistemi di alimentazione."
Questo articolo fa parte di Vita su Marte - una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che consentiranno agli esseri umani di occupare Marte
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