Energia extraterrestre: come genereremo energia su Marte

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 mantenerli al sicuro e far funzionare 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? Per scoprirlo ci siamo messi in contatto con due persone che lavorano all'avanguardia nei sistemi energetici spaziali in due diverse agenzie.

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 produzione 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 i rover come Perseverance, i sistemi di fissione possono 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 potenza, che potrebbe essere utilizzato come base per futuri reattori spaziali. L'esperimento, soprannominato KRUSTY dal nome del reattore Kilopower 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 energetico 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, eventualmente, su Marte.

L’anno scorso, la NASA, insieme al Dipartimento dell’Energia, ha invitato l’industria a proporre idee per un sistema da 10 kilowatt. Quattro o cinque di queste unità potrebbero alimentare un habitat su Marte con tutto ciò che ciò comporta, come la produzione di ossigeno per i razzi propellente e in grado di soddisfare le esigenze di tre o quattro astronauti, per un totale stimato 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 quella di dimostrare il sistema prima sulla Luna come parte del programma Artemis”, ha detto. “Il nostro progetto prevede lo sviluppo di un sistema da 10 kilowatt e la prima dimostrazione sulla luna. Ciò ci aiuterebbe a comprendere il sistema”. Successivamente, potrebbero essere apportate tutte le modifiche progettuali necessarie e potrebbe essere utilizzato nelle future missioni su Marte.

Il piano per il primo test sulla Luna prevede che l'unità di potenza rimanga all'interno del lander lunare. Lasciare l’unità nel lander “aiuta a semplificare le operazioni 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 da parte dell’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 queste innovazioni da parte dell’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 oltre 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 insieme sulla superficie di Marte per fornire energia a una base lì, così puoi immaginare come potrebbe apparire una centrale elettrica marziana.

La sicurezza dell'energia 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 utilizzati nei reattori nucleari, come l'uranio utilizzato nella dimostrazione Kilopower, emettono radiazioni pericolose per l'uomo e che possono anche causare problemi ai dispositivi elettronici vicini attrezzatura.

Per mantenere al sicuro sia le persone che i dispositivi elettronici, i sistemi energetici 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 in passato la NASA ha già lanciato oltre 20 missioni che hanno utilizzato diversi 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 preoccupazione per l’uso di uranio altamente arricchito nei sistemi energetici, che è quello utilizzato nella dimostrazione Kilopower. Questo materiale può essere utilizzato anche per realizzare armi nucleari alcuni leader politici sono preoccupati che utilizzarlo 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 energetici 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 conformità con le recenti direttive nazionali sulla politica nucleare spaziale”, ha scritto Hernandez-Lugo in un seguito e-mail. “L’uso dell’uranio altamente arricchito è ancora possibile se la missione ne ha una necessità prevalente”.

IL l’ultima direttiva sulla politica spaziale, rilasciata 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 produzione di energia, però: una delle opzioni energetiche 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.

Lo ha detto Leopold Summerer, capo dell'Advanced Concepts Team dell'ESA che ricerca le tecnologie emergenti per le missioni spaziali Digital Trends in un'e-mail afferma che l'energia solare ha un vantaggio rispetto all'energia nucleare in quanto non necessita di ulteriore sicurezza le misure. Egli 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 facilità di utilizzo, accesso ed elevata maturità oltre ad essere completamente rinnovabile", ha disse.

Questo rapido ritmo di sviluppo significa che gli ingegneri stanno progettando pannelli in grado di produrre ancora più elettricità la stessa quantità di luce solare e Summerer prevede che i futuri sistemi solari continueranno a riceverne di più efficiente.

“Nello spazio, l’efficienza è ancora più importante che a terra e spingiamo costantemente ciò che è tecnicamente possibile”, ha affermato Summerer. Incrementi relativamente piccoli nell’efficienza e nella 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, esistono limitazioni all’uso dell’energia solare. "Ha lo svantaggio di dipendere da una fonte esterna, il sole, e tutti gli inconvenienti che ne derivano", ha detto Summerer. In molte situazioni, l’energia solare è solo intermittente. Su un pianeta con un ciclo giorno-notte, le batterie possono essere utilizzate per immagazzinare l’energia in eccesso durante il giorno e continuare a fornirla durante la notte. Ma questo aggiunge un altro elemento ingombrante al sistema energetico, nonché un ulteriore livello di complessità.

Una soluzione futuristica a questo problema preso in considerazione 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 in superficie in modalità wireless. L'ESA lo è attualmente cercare concetti per trasformare questa idea in realtà.

La luce del sole su Marte

Quando si tratta specificamente di Marte, però, ci sono alcune sfide legate all’uso 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’irradiazione solare che avrebbero sulla Terra.

Ciò non significa che l’uso dell’energia solare sia impossibile su Marte, solo che le missioni devono prestare molta attenzione al consumo di energia. I rover su Marte della generazione precedente della NASA, Spirit e Opportunity, utilizzavano l'energia solare, e anche gli attuali orbiter 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 provoca massicce tempeste di polvere globali, bloccandole temporaneamente gran parte della luce solare e copre praticamente tutto il pianeta con uno strato di polvere, compresa quella solare pannelli. Questo è ciò che ha causato l’oscuramento del rover Opportunity, incredibilmente longevo, quando un’enorme tempesta di sabbia si è abbattuta sul pianeta nel 2018.

Summerer ritiene che combinando impianti solari di superficie e orbitali, probabilmente si potrebbe generare energia sufficiente per un habitat umano. Ma ha anche riconosciuto che è utile combinare l’energia solare con altre fonti di energia come il nucleare. “L’energia solare sulla superficie ed eventualmente integrata dall’orbita può fornire energia sufficiente per gli habitat umani su Marte, ma come dimostrato dagli ultimi rover, come Dato che Perseverance è appena sbarcato, a volte le piccole fonti di energia nucleare forniscono un vantaggio competitivo così grande che mi aspetterei che anche queste svolgano un ruolo," ha ha scritto.

Scegliere la giusta fonte di energia per la missione

Hernandez-Lugo concorda sul potenziale valore di tutti i tipi di sistemi energetici per una missione su Marte, compresi il solare, le batterie e il nucleare. “Il sistema energetico 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 in un ampio campo varietà di opzioni di alimentazione, tra cui batterie, celle solari, sistemi di radioisotopi, sistemi di energia 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 distinti vantaggi in un sistema nucleare per le missioni di insediamenti umani. In primo luogo, quando si vuole progettare un sistema energetico 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 consenta di avere potenza costante, allora è allora che entra in gioco il nucleare”, ha detto. "Perché hai bisogno di un sistema affidabile che ti fornisca energia continua durante le operazioni notturne."

Anche per Marte la generazione continua di energia è importante, soprattutto per la sicurezza degli astronauti che vivono lì. Sicuramente vuoi un sistema energetico che continui a funzionare in qualsiasi condizione meteorologica, anche durante un sistema a 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 entrambi i sistemi solari energia 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 energetici per averli a disposizione in missioni come la Luna e Marte”, ha detto. “Quindi c’è posto per tutti i sistemi di potere”.

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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