אנרגיה מחוץ לכדור הארץ: איך ניצור כוח על מאדים

הקמת נוכחות אנושית על מאדים תגיע עם מגוון עצום של אתגרים, שרבים מהם קשורים לדרישה חיונית אחת: כוח. בין אם זה בשביל יצירת חמצן, נהיגה ברוברים, אספקת חום ואור, או תקשורת, תושבי מאדים העתידיים יזדקקו לאספקה ​​קבועה של חשמל כדי לשמור על בטיחותם ולשמור על המשימה.

עם זאת, אין רשת חשמל על מאדים, והפתרונות הנוכחיים יכולים רק לקחת אותנו עד כה. אז איך תיראה תחנת הכוח הראשונה מחוץ לכוכב הלכת? יצרנו קשר עם שני אנשים העובדים בחוד החנית של מערכות חשמל בחלל בשתי סוכנויות שונות כדי לברר.

מאמר זה הוא חלק מ החיים על מאדים - סדרה בת 10 חלקים החוקרת את המדע והטכנולוגיה המתקדמים שיאפשרו לבני אדם לכבוש את מאדים

כורים גרעיניים בחלל

התוכניות של נאס"א לעתיד ייצור החשמל כוללות מערכות ביקוע גרעיני, שבהן מפוצלים אטומי אורניום בתוך כור כדי ליצור חום. בהשוואה למערכות הרדיואיזוטופים (RTGs) שמניעות רוברים כמו התמדה, מערכות ביקוע יכולות לייצר יותר כוח תוך כדי שהייה בגודל קטן.

במרץ 2018, פרויקט Kilopower של הסוכנות הדגים ניסוי ביקוע המסוגל להפיק 1 קילוואט של כוח, שיכול לשמש כבסיס לכורי חלל עתידיים. הניסוי, שזכה לכינוי KRUSTY על שם הכור Kilopower Using Stirling Technology, הופעל על ידי ליבה של אורניום-235 אשר

נאס"א תיאר כמו "בערך בגודל של גליל מגבת נייר." זה יצר חום, שהומר לחשמל באמצעות מנגנון שנקרא מנוע סטירלינג.

מערכת כוח משטח ביקוע עתידית תהיה קטנה וקלת משקל ויכולה לפעול למשך 10 שנים לפחות. זה הופך את הרעיון לאידיאלי עבור משימות עתידיות לירח ובסופו של דבר למאדים.

בשנה שעברה, נאס"א, יחד עם משרד האנרגיה, הזמינו רעיונות מהתעשייה למערכת של 10 קילוואט. ארבע או חמש יחידות כאלה יכולות להפעיל בית גידול במאדים עם כל המשתמע מכך - כמו ייצור חמצן לרקטות חומר הנעה כמו גם עונה על הצרכים של שלושה עד ארבעה אסטרונאוטים, מה שעל פי ההערכות דורש סך של כ 40 קילוואט.

דיון הרננדז-לוגו הייתה מנהלת הפרויקט של Kilopower וכעת היא סגנית מנהלת הפרויקט של כוח הביקוע של נאס"א הדגמת טכנולוגיית הירח, והיא אמרה ל-Digital Trends שהם מתכוונים לבדוק את היחידה הראשונה על הירח במהלך הבא עָשׂוֹר.

"הרעיון הוא להדגים את המערכת תחילה על הירח כחלק מתוכנית ארטמיס", אמרה. "הפרויקט שלנו בוחן פיתוח מערכת של 10 קילוואט וביצוע ההדגמה הראשונה על הירח. זה יעזור לנו להבין את המערכת". לאחר מכן, ניתן היה לבצע כל שינוי עיצובי נדרש, וניתן להשתמש בו במשימות עתידיות למאדים.

התוכנית לניסוי הראשון על הירח היא שיחידת הכוח תישאר בתוך נחתת הירח. השארת היחידה בנחתת "מסייעת בפעולות קלות יותר של המערכת במקום לקחת את המסה הנוספת שתאפשר הסרה", הסבירה. זה מה שהצוות שלה עובד עליו. אבל הם גם מקווים לראות רעיונות מהתעשייה לגבי איך מערכת נשלפת יכולה לעבוד גם כן. "כרגע, בתוך הקבוצה שלנו, הרעיון הוא להשאיר את המערכת בתוך הנחתת", אמרה. "אבל יש הרבה חידושים בחוץ, ובזמן הזה אנחנו מחפשים את החידושים האלה מהתעשייה כדי לראות אפשרויות אחרות שיהיו להם."

מחקר פנימי של נאס"א העריך כי כל יחידה של 10 קילוואט תהיה בגובה שישה מטרים (19.6 רגל) ורוחבה של למעלה משני מטרים (6.5 רגל), אם כי הפרטים המדויקים יהיו תלויים בתכנון הסופי. תמונת קונספט (למעלה) שהופקה על ידי נאס"א מציגה ארבע יחידות כאלה המקושרות זו לזו על פני מאדים כדי לספק כוח לבסיס שם, כך שתוכלו לדמיין איך תחנת כוח של מאדים עשויה להיראות.

בטיחות הכוח הגרעיני

גורם אחד שאנשים נוטים להיות מודאגים ממנו כשמדובר בשימוש בכוח גרעיני על כדור הארץ הוא בטיחות, וזה חל גם על משימות חלל. היסודות הרדיואקטיביים המשמשים בכורים גרעיניים, כמו האורניום ששימש בהפגנת קילופאואר, פולט קרינה המסוכנת לבני אדם ואשר יכולה לגרום גם לבעיות באלקטרוניקה בקרבת מקום צִיוּד.

כדי לשמור על בטיחות האנשים והאלקטרוניקה, מערכות כוח ביקוע מוקפות במיגון מתכת עבה שמכיל את הקרינה. כל מערכת חשמל חדשה עבור משימת מאדים תעבור בדיקות מקיפות על כדור הארץ כדי לוודא זאת היה בטוח אפילו בתנאים קיצוניים, כגון בדיקות תפעוליות, בדיקות ואקום ורטט בדיקה.

הרננדז-לוגו ציין כי נאס"א כבר השיקה למעלה מ-20 משימות בעבר שהשתמשו בסוגים שונים של מערכות כוח גרעיניות, "לכן לנאס"א יש מומחיות ורקע בשיגור מערכות כוח גרעיניות הן לירח והן מַאְדִים."

יש גם חשש לגבי השימוש באורניום מועשר מאוד במערכות חשמל, וזה מה שהפגנה של Kilopower השתמשה בה. החומר הזה יכול לשמש גם לייצור נשק גרעיני, אז כמה מנהיגים פוליטיים מודאגים ששימוש בו בפרויקטים בחלל עשוי לעודד את התפשטותו על פני כדור הארץ.

כדי להתמודד עם החששות הללו, מערכות ביקוע פני השטח עתידיות יכולות להשתמש במקום זאת באורניום מועשר נמוך, המשמש בדרך כלל בכורי כוח על פני כדור הארץ ואינו בדרגת נשק. "עיצובי אורניום מועשר נמוך הם מאוד אטרקטיביים מנקודת המבט של רגולציה מופחתת ו עמידה בהנחיות האחרונות של מדיניות הגרעין החלל הלאומית", כתב הרננדז-לוגו במעקב אימייל. "השימוש באורניום מועשר מאוד עדיין אפשרי אם למשימה יש צורך שורר".

ה הנחיית מדיניות החלל האחרונה, שפורסם על ידי הבית הלבן בדצמבר אשתקד, מאפשר רק שימוש באורניום מועשר מאוד אם הוא אושר על ידי גופים ממשלתיים שונים וניתן להוכיח שזו הדרך היחידה להשלים א משימה.

אנרגיה מהשמש

עם זאת, אנרגיה גרעינית אינה האפשרות היחידה לייצור חשמל: אחת מאפשרויות הכוח הנפוצות ביותר המשמשות למשימות חלל כרגע היא אנרגיה סולארית. סוכנות החלל האירופית (ESA) משתמשת באנרגיה סולארית כמעט לכל משימותיה, ורובר המאדים הקרוב שלה, הנקרא רוזלינד פרנקלין, יהיה מופעל גם כן.

לאופולד סאמרר, ראש צוות המושגים המתקדמים ב-ESA שלפיו חוקרים טכנולוגיות מתפתחות למשימות חלל, אמר מגמות דיגיטליות באימייל שלכוח השמש יש יתרון על פני חשמל גרעיני בכך שהיא לא זקוקה לבטיחות נוספת אמצעים. הוא גם ציין ששימוש נרחב בטכנולוגיית אנרגיה סולארית על פני כדור הארץ פירושו התפתחויות מתמדות שניתן ליישם בחלל משימות: "אנרגיה סולארית היא טכנולוגיה המתפתחת במהירות המציעה שימוש קל, גישה ובגרות גבוהה בנוסף להיותה מתחדשת לחלוטין", הוא אמר.

קצב הפיתוח המהיר הזה אומר שהמהנדסים מתכננים לוחות שיכולים לייצר מהם אפילו יותר חשמל אותה כמות של אור שמש, וסאמרר מצפה שמערכות סולאריות עתידיות ימשיכו לקבל יותר יָעִיל.

"בחלל, היעילות חשובה אפילו יותר מאשר על הקרקע ואנחנו כל הזמן דוחפים את מה שאפשרי מבחינה טכנית", אמר סאמרר. עליות קטנות יחסית ביעילות ובמסה של תאים סולאריים יכולים לעשות הבדל גדול בעלות הכוללת של מערכות סולאריות, במיוחד עבור כלי רכב קטנים יותר כמו לוויינים.

אבל כמו כל הטכנולוגיות, יש מגבלות על השימוש באנרגיה סולארית. "יש לו את החיסרון להיות תלוי במקור חיצוני, בשמש ובכל החסרונות הנלווים לכך", אמר סאמרר. במצבים רבים, הכוח מהשמש הוא רק לסירוגין. על כוכב לכת עם מחזור יום ולילה, ניתן להשתמש בסוללות כדי לאחסן כוח עודף במהלך היום ולהמשיך לספק אותו בלילה. אבל זה מוסיף עוד אלמנט מגושם למערכת החשמל, כמו גם שכבה נוספת של מורכבות.

פתרון עתידני אחד לבעיה זו הנבדקת הוא הפיתוח של סביב תחנות כוח סולאריות, שיכול לעבוד במקביל עם פאנלים סולאריים על פני השטח כדי לאסוף אנרגיה מהשמש ולהקרין אותה אל פני השטח באופן אלחוטי. ESA כרגע מחפש מושגים להפוך את הרעיון הזה למציאות.

אור השמש על מאדים

כאשר מדובר במאדים ספציפית, ישנם כמה אתגרים בשימוש באנרגיה סולארית. מכיוון שהוא רחוק יותר מהשמש מאשר כדור הארץ, פחות אור שמש מגיע לפני השטח של כוכב הלכת. המשמעות היא שלחוקרים על מאדים תהיה גישה לכמחצית מקרינת השמש שיש להם על פני כדור הארץ.

זה לא אומר ששימוש באנרגיה סולארית הוא בלתי אפשרי במאדים, רק שמשימות צריכות להיות זהירות מאוד בצריכת החשמל שלהן. רובי מאדים מהדור הקודם של נאס"א, Spirit ו-Opportunity, השתמשו באנרגיה סולארית, והמסלולים הנוכחיים כמו Mars Express ו-Mars Orbiter Mission מופעלים גם הם באמצעות אנרגיה סולארית.

עם זאת, יש בעיה נוספת על מאדים: סופות אבק. למאדים יש מערכת מזג אוויר מורכבת שגורמת מדי פעם לסופות אבק עולמיות אדירות, החוסמות זמנית חלק גדול מאור השמש ומכסה כמעט כל דבר על פני כדור הארץ בשכבת אבק - כולל שמש לוחות. זה מה שגרם לרובר ארוכי החיים להפליא להחשיך בסופו של דבר, כאשר סופת אבק אדירה התגלגלה על פני כדור הארץ בשנת 2018.

סאמרר חושב שעל ידי שילוב של תחנות כוח סולאריות על פני השטח והמסלולים, אתה כנראה יכול לייצר מספיק חשמל לבית גידול אנושי. אבל הוא גם הודה שיש ערך בשילוב של אנרגיה סולארית עם מקורות כוח אחרים כמו גרעיני. "אנרגיה סולארית על פני השטח ובסופו של דבר משלימה מהמסלול יכולה לספק מספיק כוח לבתי גידול אנושיים על מאדים, אבל כפי שהוכיחו הרוברים האחרונים, כגון בתור התמדה שזה עתה נחתה, לפעמים מקורות כוח גרעיניים קטנים מספקים יתרון תחרותי כל כך גדול שהייתי מצפה שגם אלה ישחקו תפקיד", הוא כתבתי.

בחירת מקור הכוח המתאים למשימה

הרננדז-לוגו הסכימה שיש ערך פוטנציאלי בכל מיני מערכות חשמל עבור משימת מאדים, כולל שמש, סוללות וגרעין. "מערכת החשמל תהיה תלויה במשימה הספציפית", אמרה. מרכז המחקר גלן של נאס"א, שבו היא עובדת, הוא מרכז פיתוח הכוח של נאס"א ומבצע מחקרים בתחום רחב מגוון אפשרויות כוח, כולל סוללות, תאים סולאריים, מערכות איזוטופים רדיו, מערכות כוח ביקוע ודלק מתחדש תאים. המפתח הוא לבחור את מקור הכוח המתאים לצרכי המשימה, בהתבסס על המשאבים הזמינים.

ישנם יתרונות ברורים למערכת גרעינית למשימות מגורים אנושיות. ראשית, כאשר אתה רוצה לתכנן מערכת חשמל לשימוש הן על הירח והן על מאדים, כפי שעושה נאס"א, אז אתה צריך להתמודד עם תקופות החושך של שבועיים על הירח.

"כשאתה מתחיל לחשוב איך אתה מעצב ארכיטקטורת משימה שמאפשרת לך כוח מתמיד, אז זה הזמן שבו הגרעין נכנס לפעולה", אמרה. "כי אתה צריך מערכת אמינה שתיתן לך כוח רציף במהלך פעולות הלילה האלה."

עבור מאדים, ייצור רציף של כוח חשוב גם הוא, במיוחד לבטיחותם של אסטרונאוטים החיים שם. אתה בהחלט רוצה מערכת חשמל שתמשיך לעבוד בכל תנאי מזג אוויר, אפילו במהלך מערכת אבק, וכוח גרעיני יכול לספק זאת.

הרננדז-לוגו גם ציין כי המשימות הנוכחיות של נאס"א למאדים, כמו מאדים 2020, משתמשות בשילוב של שתי השמש. כוח עבור מסוק Ingenuity וכוח גרעיני עבור רובר Perseverance, כדי להתאים לצרכים המיוחדים של משימה.

"בשלב זה, בתוך הסוכנות, הם בוחנים לקדם את כל מערכות הכוח השונות כדי שיהיו זמינות למשימות כמו הירח ומאדים", אמרה. "אז יש מקום לכל מערכות החשמל."

מאמר זה הוא חלק מ החיים על מאדים - סדרה בת 10 חלקים החוקרת את המדע והטכנולוגיה המתקדמים שיאפשרו לבני אדם לכבוש את מאדים

המלצות עורכים

• נסיעה קוסמולוגית: הלוגיסטיקה המסובכת של העלאת אנשים על מאדים
• השלמת הנעה: איך נביא בני אדם למאדים
• טירות עשויות חול: איך ניצור בתי גידול עם אדמת מאדים
• הידרציה לקציר: כיצד מתיישבים עתידיים ייצרו ויאספו מים על מאדים
• אסטרו חקלאות: איך נצמיח יבולים על מאדים