火星に人類を駐留させるには膨大な範囲の課題が伴いますが、その多くは電力という 1 つの必須要件に関連しています。 それのためかどうか 酸素を作る、探査車の運転、熱と光の提供、あるいは通信など、将来の火星居住者は安全を保ち、ミッションを継続するために常時電力の供給が必要となる。
コンテンツ
- 宇宙の原子炉
- 原子力発電の安全性
- 太陽からのエネルギー
- 火星の太陽光
- ミッションに適した電源の選択
しかし、火星には送電網はなく、現在のソリューションでは限界までしか到達できません。 それでは、最初の地球外発電所はどのようなものになるのでしょうか? 私たちは、それを知るために、2 つの異なる機関で宇宙電力システムの最先端で働いている 2 人の人物に連絡を取りました。
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宇宙の原子炉
NASA の将来の発電計画には、原子炉内でウラン原子が分裂して熱を発生させる核分裂システムが含まれています。 パーサヴィアランスなどの探査車に動力を供給する放射性同位元素システム (RTG) と比較して、核分裂システムは次のことが可能です。 より多くの力を生み出す 小さいサイズを保ちながら。
2018年3月、同庁のキロパワープロジェクトは、将来の宇宙炉の基礎として使用できる、1キロワットの電力を生成できる核分裂実験を実証した。 スターリング技術を使用したキロパワー炉にちなんでKRUSTYと呼ばれるこの実験は、ウラン235の炉心を動力源としていた。 NASAが説明した 「ペーパータオルロールくらいの大きさ」です。 これにより熱が発生し、スターリングエンジンと呼ばれる機構によって電気に変換されました。
将来の核分裂表面発電システムは小型軽量で、少なくとも 10 年間は稼働する可能性があります。 そのため、このコンセプトは将来の月、そして最終的には火星へのミッションにとって理想的なものになります。
昨年、NASA はエネルギー省とともに、10 キロワットのシステムに関する産業界のアイデアを募集しました。 このようなユニットが 4 つまたは 5 つあれば、ロケット用の酸素の生成など、火星の生息地に必要なすべての電力を供給できる可能性があります。 推進剤を必要とするだけでなく、宇宙飛行士 3 ～ 4 人のニーズを満たすことができ、合計で約 40キロワット.
ディオンヌ・ヘルナンデス＝ルーゴはキロパワーのプロジェクトマネージャーであり、現在はNASAの核分裂表面発電の副プロジェクトマネージャーを務めています。 彼女はデジタル・トレンドに対し、次の年内に最初のユニットを月でテストするつもりだと語った。 十年。
「アルテミス計画の一環として、まず月面でこのシステムを実証するという考えです」と彼女は語った。 「私たちのプロジェクトは、10キロワットのシステムを開発し、月で最初の実証を行うことを検討しています。 そうすればシステムを理解するのに役立ちます。」 この後、必要な設計変更を行うことができ、将来の火星ミッションで使用できる可能性があります。
月面での最初のテストの計画では、電源ユニットが月着陸船内に設置されることになっている。 ユニットを着陸船に残しておくことは、「取り外しを可能にする余分な質量を奪うのではなく、システムの操作を容易にするのに役立ちます」と彼女は説明しました。 それが彼女のチームが取り組んでいることです。 しかし彼らはまた、取り外し可能なシステムがどのように機能するかについて産業界からのアイデアも期待している。 「現在、私たちのグループ内で考えているのは、システムを着陸船内に残すことです」と彼女は語った。 「しかし、そこには多くのイノベーションがあり、現時点では、私たちは産業界が持つであろう他の選択肢を見つけるために、それらのイノベーションを業界から求めています。」
NASA の内部調査では、各 10 キロワットのユニットは高さ約 6 メートル (19.6 フィート)、幅 2 メートル (6.5 フィート) 以上になると推定されていますが、正確な詳細は最終設計によって異なります。 NASA が作成したコンセプト画像 (上) には、火星の基地に電力を供給するために火星の表面でこのようなユニットが 4 つ連結されている様子が示されており、火星の発電所がどのようなものかを想像することができます。
原子力発電の安全性
地球上で原子力を使用する場合、人々が懸念しがちな要素の 1 つは安全性であり、それは宇宙ミッションにも当てはまります。 キロパワーの実証で使用されたウランのような、原子力発電所で使用される放射性元素は、 人間にとって危険な放射線を放出し、近くの電子機器に問題を引き起こす可能性もあります。 装置。
人と電子機器の両方を安全に保つために、核分裂発電システムは放射線を含む厚い金属シールドで囲まれています。 火星ミッションのための新しい電力システムは、地球上で広範なテストを受けて、それが確実に機能することを確認する必要があります。 動作テスト、真空テスト、振動などの極端な条件下でも安全でした。 テスト中。
ヘルナンデス＝ルーゴ氏は、NASAが過去にすでに20以上のミッションを打ち上げており、さまざまな種類の 「つまり、NASA は月と地球の両方に原子力発電システムを打ち上げる専門知識と背景を持っています。 火星。"
キロパワーのデモンストレーションで使用された、電力システムでの高濃縮ウランの使用についても懸念があります。 この物質は核兵器の製造にも使用できるため、 一部の政治指導者は懸念している 宇宙プロジェクトでそれを使用すると、地球上での拡散を促進する可能性があると考えられています。
これらの懸念に対処するために、将来の地表核分裂システムでは代わりに、地球上の発電炉で一般的に使用されている兵器級ではない低濃縮ウランを使用する可能性がある。 「低濃縮ウラン設計は、規制緩和の観点から非常に魅力的であり、 最近の国家宇宙核政策指令の遵守」とヘルナンデス＝ルーゴ氏はフォローアップで書いた。 Eメール。 「ミッションに一般的なニーズがあれば、高濃縮ウランの使用は依然として可能です。」
の 最新の宇宙政策指令昨年12月にホワイトハウスが発表した、高濃縮ウランの使用のみを許可するもの。 それがさまざまな政府機関によって承認され、それが計画を完了する唯一の方法であることが証明できる場合 ミッション。
太陽からのエネルギー
ただし、発電の選択肢は原子力発電だけではありません。現在、宇宙ミッションで使用される最も一般的な電力選択肢の 1 つは太陽光発電です。 欧州宇宙機関（ESA）は、ほぼすべてのミッションで太陽光発電を使用しており、次期火星探査機「ロザリンド・フランクリン」も太陽光発電を搭載する予定だ。
「宇宙では地上よりも効率がさらに重要であり、私たちは常に技術的に可能なことを推進しています。」
宇宙ミッション向けの新技術を研究するESAの先進コンセプトチームの責任者、レオポルド・サマーラー氏はこう語った。 追加の安全性を必要としない点で太陽光発電は原子力発電よりも優れているという電子メールのデジタル トレンド 対策。 同氏はまた、地球上での太陽光発電技術の広範な利用は、宇宙にも応用できる継続的な発展を意味すると指摘した。 使命: 「太陽光発電は、完全に再生可能であることに加えて、使いやすさ、アクセス、成熟度の高さを備えた急速に進化する技術です。」と彼は言いました。 言った。
この速い開発速度は、エンジニアが、より多くの電力を生成できるパネルを設計していることを意味します。 サマーラー氏は、将来の太陽光発電システムではさらに多くの太陽光が得られると予想しています。 効率的。
「宇宙では地上よりも効率がさらに重要であり、私たちは常に技術的に可能なことを推進しています」とサマーラー氏は語った。 太陽電池の効率と質量が比較的わずかに増加するだけで、特に衛星などの小型宇宙船の場合、太陽電池システムの総コストに大きな違いが生じる可能性があります。
しかし、他のテクノロジーと同様に、太陽光発電の使用にも制限があります。 「外部のエネルギー源、太陽に依存するという欠点と、それに付随するあらゆる欠点があります」とサマーラー氏は言う。 多くの場合、太陽からの電力は断続的にしか供給されません。 昼夜サイクルがある惑星では、バッテリーを使用して日中に余剰電力を蓄え、夜間に電力を供給し続けることができます。 しかし、これにより、電力システムに別の大きな要素が追加されるだけでなく、さらに複雑な層が追加されます。
この問題に対する未来的な解決策の 1 つとして検討されているのが、 軌道上の太陽光発電所、地表の太陽光発電パネルと連携して太陽からエネルギーを収集し、それを無線で地表に照射することができます。 ESAは現在、 コンセプトを求めて このアイデアを現実にするために。
火星の太陽光
しかし、特に火星に関して言えば、太陽光発電の使用にはいくつかの課題があります。 地球よりも太陽から遠く離れているため、惑星の表面に届く太陽光は少なくなります。 つまり、火星の探検家は、地球上の約半分の太陽放射量にアクセスできることになります。
それは、火星で太陽光発電を使用することが不可能であるという意味ではなく、ミッションでは電力の使用に細心の注意を払う必要があるということだけです。 NASA の前世代の火星探査機であるスピリットとオポチュニティは太陽光発電を使用しており、マーズ エクスプレスやマーズ オービター ミッションなどの現在の周回探査機も同様に太陽光発電を使用しています。
しかし、火星には別の問題があります。 砂嵐. 火星には複雑な気象システムがあり、時折大規模な地球規模の砂嵐を引き起こし、一時的に地球を遮断します。 太陽の光の多くは太陽を含む地球上のほぼすべてを塵の層で覆っています。 パネル。 それが、2018 年に大規模な砂嵐が地球を横切ったとき、信じられないほど長命な探査機オポチュニティが最終的に暗転した原因です。
サマーラー氏は、地表と軌道上の太陽光発電所を組み合わせれば、おそらく人間の居住地に十分な電力を生成できるだろうと考えている。 しかし同氏は、太陽光発電と原子力などの他の電源を組み合わせる価値があることも認めた。 「地表での太陽光発電と、最終的には軌道からの補完によって、火星の人間の居住地に十分な電力を供給できますが、最新の探査車が実証しているように、 着陸したばかりのパーサヴィアランスと同様に、小型の原子力発電所が非常に大きな競争上の優位性を提供することがあるので、これらも役割を果たすことを期待しています」と彼は述べた。 書きました。
ミッションに適した電源の選択
ヘルナンデス＝ルーゴ氏は、火星探査では太陽電池、電池、原子力などあらゆる種類の電力システムに潜在的な価値があることに同意した。 「電力システムは特定のミッションに依存します」と彼女は言いました。 彼女が勤務する NASA のグレン研究センターは、NASA の電源開発センターであり、さまざまな分野の研究を行っています。 バッテリー、太陽電池、ラジオアイソトープシステム、核分裂発電システム、再生燃料などのさまざまな電源オプション 細胞。 重要なのは、利用可能なリソースに基づいて、ミッションのニーズに適した電源を選択することです。
人類居住ミッションにおける核システムには明らかな利点があります。 まず、NASA のように、月と火星の両方で使用できる電力システムを設計したい場合、月では 2 週間にわたる暗闇に対処する必要があります。
「継続的な電力供給を可能にするミッションアーキテクチャをどのように設計するかを考え始めたとき、原子力が登場します」と彼女は言いました。 「夜間の作業中に継続的に電力を供給できる信頼性の高いシステムが必要だからです。」
火星にとって、特に火星に住む宇宙飛行士の安全のためには、継続的な発電も重要です。 たとえ粉塵システムが発生している間であっても、どんな気象条件でも動作し続ける電力システムが必要であることは間違いありません。原子力はそれを提供できます。
ヘルナンデス＝ルーゴ氏はまた、マーズ2020のような現在のNASAの火星ミッションでは、太陽光発電と太陽光発電の両方を組み合わせて使用していると指摘した。 インジェニュイティヘリコプタ用の電力とパーサヴィアランス探査車用の原子力を、特定のニーズに合わせて提供します。 ミッション。
「現時点で、庁内では、月や火星のようなミッションで利用できるように、さまざまな電力システムを進化させることを検討しています」と彼女は語った。 「つまり、すべての電力システムのための場所があるのです。」
この記事はの一部です 火星上の生命 — 人類の火星占領を可能にする最先端の科学技術を探求する 10 部構成のシリーズ
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