არამიწიერი ენერგია: როგორ გამოვიმუშავებთ ენერგიას მარსზე

მარსზე ადამიანის ყოფნის დაყენება გამოწვევების უზარმაზარ სპექტრს მოჰყვება, რომელთაგან ბევრი დაკავშირებულია ერთ აუცილებელ მოთხოვნასთან: ძალაუფლებასთან. არის თუ არა ამისთვის ჟანგბადის შექმნამარსის მომავალ მაცხოვრებლებს ელექტროენერგიის მუდმივი მიწოდება, როვერების მართვა, სითბოსა და შუქის მიწოდება, ან კომუნიკაციები დასჭირდებათ, რათა მათ უსაფრთხოდ შევინარჩუნოთ და მისიის შესრულება შეუნარჩუნოთ.

მარსზე არ არის ელექტროგადამცემი ქსელი და ამჟამინდელი გადაწყვეტილებები მხოლოდ შორს წაგვიყვანს. მაშ, როგორი იქნება პირველი პლანეტის გარეთ ელექტროსადგური? ჩვენ დავუკავშირდით ორ ადამიანს, რომლებიც მუშაობენ კოსმოსური ენერგოსისტემების უახლესი კუთხით ორ სხვადასხვა სააგენტოში, რათა გაგვეგო.

ეს სტატია არის ნაწილი ცხოვრება მარსზე — 10 ნაწილისგან შემდგარი სერია, რომელიც იკვლევს უახლესი მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების შესახებ, რომელიც საშუალებას მისცემს ადამიანებს დაიკავონ მარსი

ბირთვული რეაქტორები კოსმოსში

NASA-ს სამომავლო გეგმები ელექტროენერგიის წარმოებისთვის მოიცავს ბირთვული დაშლის სისტემებს, რომლებშიც ურანის ატომები იყოფა რეაქტორში სითბოს წარმოქმნის მიზნით. რადიოიზოტოპურ სისტემებთან (RTG) შედარებით, რომლებიც აძლიერებენ როვერებს, როგორიცაა Perseverance, დაშლის სისტემებს შეუძლიათ აწარმოოს მეტი ძალა მიუხედავად იმისა, რომ რჩება მცირე ზომის.

2018 წლის მარტში სააგენტოს Kilopower-ის პროექტმა აჩვენა დაშლის ექსპერიმენტი, რომელსაც შეუძლია გამოიმუშაოს 1 კილოვატი სიმძლავრე, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც საფუძველი მომავალი კოსმოსური რეაქტორებისთვის. ექსპერიმენტი, მეტსახელად KRUSTY, Kilopower Reactor Using TechnologY-ის მიხედვით, იკვებებოდა ურანი-235-ის ბირთვით. ნასამ აღწერა როგორც "ქაღალდის პირსახოცის რულონის ზომა". ეს წარმოქმნიდა სითბოს, რომელიც შემდეგ გადაკეთდა ელექტროენერგიად მექანიზმის საშუალებით, რომელსაც სტერლინგის ძრავა ჰქვია.

მომავალი დაშლის ზედაპირის ელექტროენერგეტიკული სისტემა იქნება პატარა და მსუბუქი და შეიძლება იმუშაოს მინიმუმ 10 წლის განმავლობაში. ეს კონცეფციას იდეალურს ხდის მთვარეზე და, საბოლოოდ, მარსზე მომავალი მისიებისთვის.

გასულ წელს, ნასამ, ენერგეტიკის დეპარტამენტთან ერთად, მოიწვია იდეები ინდუსტრიიდან 10 კილოვატიანი სისტემისთვის. ოთხ ან ხუთ ასეთ ერთეულს შეუძლია მარსის ჰაბიტატის კვება ყველაფერთან ერთად, როგორიცაა რაკეტისთვის ჟანგბადის წარმოება. საწვავი, ასევე სამი-ოთხი ასტრონავტის მოთხოვნილებების დაკმაყოფილება, რაც, სავარაუდოდ, სულ დაახლოებით 40 კილოვატი.

Dionne Hernandez-Lugo იყო Kilopower-ის პროექტის მენეჯერი და ახლა არის NASA-ს პროექტის მენეჯერის მოადგილე დაშლის ზედაპირის სიმძლავრეში. მთვარის ტექნოლოგიის დემონსტრირება და მან განუცხადა Digital Trends-ს, რომ ისინი აპირებენ მთვარეზე პირველი ერთეულის გამოცდას შემდეგში. ათწლეული.

”იდეა არის სისტემის დემონსტრირება ჯერ მთვარეზე, როგორც Artemis პროგრამის ნაწილი”, - თქვა მან. „ჩვენი პროექტი მიზნად ისახავს 10 კილოვატიანი სისტემის შემუშავებას და მთვარეზე პირველი დემონსტრირების გაკეთებას. ეს დაგვეხმარება სისტემის გაგებაში“. ამის შემდეგ შესაძლებელი იქნებოდა დიზაინის ნებისმიერი საჭირო მოდიფიკაციის განხორციელება და მისი გამოყენება მარსზე მომავალ მისიებში.

მთვარეზე პირველი გამოცდის გეგმა არის ის, რომ ელექტროსადგური დარჩეს მთვარის სადესანტოში. დანადგარის დატოვება ლანდერში „ეხმარება სისტემის უფრო მარტივ ოპერაციებში, ვიდრე ზედმეტი მასის აღებას, რომელიც მოხსნის საშუალებას იძლევა“, განმარტა მან. სწორედ ამაზე მუშაობს მისი გუნდი. მაგრამ ისინი ასევე იმედოვნებენ, რომ დაინახავენ იდეებს ინდუსტრიისგან იმის შესახებ, თუ როგორ შეიძლება იმუშაოს მოსახსნელი სისტემა. ”ახლა, ჩვენს ჯგუფში, იდეა არის სისტემის დატოვება ლანდერში”, - თქვა მან. ”მაგრამ არსებობს ბევრი ინოვაცია და ამ დროს ჩვენ ვეძებთ ამ ინოვაციებს ინდუსტრიისგან, რათა ვნახოთ სხვა ვარიანტები, რაც მათ ექნებოდათ.”

NASA-ს შიდა კვლევამ დაადგინა, რომ თითოეული 10 კილოვატიანი ერთეული იქნება დაახლოებით ექვსი მეტრი (19.6 ფუტი) სიმაღლე და ორ მეტრზე მეტი (6.5 ფუტი) სიგანე, თუმცა ზუსტი დეტალები დამოკიდებული იქნება საბოლოო დიზაინზე. NASA-ს მიერ წარმოებული კონცეფციის სურათი (ზემოთ) აჩვენებს ოთხ ასეთ ერთეულს, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული მარსის ზედაპირზე, რათა უზრუნველყონ იქ ბაზის ენერგია, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ წარმოიდგინოთ, როგორი შეიძლება იყოს მარსის ელექტროსადგური.

ბირთვული ენერგიის უსაფრთხოება

ერთ-ერთი ფაქტორი, რომელიც ადამიანებს აწუხებთ, როდესაც საქმე ეხება დედამიწაზე ბირთვული ენერგიის გამოყენებას, არის უსაფრთხოება და ეს ასევე ეხება კოსმოსურ მისიებს. ბირთვული ენერგიის რეაქტორებში გამოყენებული რადიოაქტიური ელემენტები, როგორიცაა ურანი, რომელიც გამოიყენება Kilopower-ის დემონსტრაციაში, ასხივებენ რადიაციას, რომელიც საშიშია ადამიანისთვის და რომელიც ასევე შეიძლება გამოიწვიოს პრობლემები ახლომდებარე ელექტრონულებთან აღჭურვილობა.

ადამიანებისა და ელექტრონიკის უსაფრთხოების შესანარჩუნებლად, დაშლის ენერგოსისტემები გარშემორტყმულია სქელი ლითონის ფარით, რომელიც შეიცავს რადიაციას. მარსის მისიისთვის ნებისმიერი ახალი ენერგეტიკული სისტემა ჩატარდება ვრცელი ტესტირება დედამიწაზე, რათა დარწმუნდეს, რომ ის უსაფრთხო იყო ექსტრემალურ პირობებშიც კი, როგორიცაა ოპერაციული ტესტირება, ვაკუუმის ტესტირება და ვიბრაცია ტესტირება.

ჰერნანდეს-ლუგომ აღნიშნა, რომ ნასამ წარსულში უკვე გაუშვა 20-ზე მეტი მისია, რომლებიც იყენებდნენ სხვადასხვა სახის ბირთვული ენერგეტიკული სისტემები, ”ასე რომ, NASA-ს აქვს გამოცდილება და გამოცდილება ბირთვული ენერგიის სისტემების გაშვებაში როგორც მთვარეზე, ასევე მარსი."

ასევე არსებობს შეშფოთება ენერგოსისტემებში უაღრესად გამდიდრებული ურანის გამოყენების შესახებ, რაც გამოიყენა Kilopower-ის დემონსტრაციაში. ამ მასალის გამოყენება შესაძლებელია ბირთვული იარაღის დასამზადებლადაც, ასე ზოგიერთი პოლიტიკური ლიდერი შეშფოთებულია რომ მისი გამოყენება კოსმოსურ პროექტებში შესაძლოა ხელი შეუწყოს მის გავრცელებას დედამიწაზე.

ამ პრობლემების გადასაჭრელად, სამომავლო ზედაპირული დაშლის სისტემებმა შეიძლება გამოიყენონ დაბალი გამდიდრებული ურანი, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება დედამიწაზე ენერგეტიკულ რეაქტორებში და არ არის იარაღის ხარისხი. „დაბალი გამდიდრებული ურანის კონსტრუქციები ძალიან მიმზიდველია შემცირებული რეგულირების პერსპექტივიდან და შესაბამისობა კოსმოსური ბირთვული პოლიტიკის ბოლოდროინდელ დირექტივებთან“, - წერს ერნანდეს-ლუგო შემდგომში. ელ. ”უაღრესად გამდიდრებული ურანის გამოყენება ჯერ კიდევ შესაძლებელია, თუ მისიას ჭარბობს საჭიროება.”

The უახლესი კოსმოსური პოლიტიკის დირექტივათეთრი სახლის მიერ გასული წლის დეკემბერში გამოქვეყნებული, მხოლოდ მაღალგამდიდრებული ურანის გამოყენების უფლებას იძლევა თუ იგი დამტკიცდება სხვადასხვა სამთავრობო ორგანოების მიერ და შეიძლება აჩვენოს, რომ ეს არის ერთადერთი გზა ა მისია.

ენერგია მზისგან

ბირთვული ენერგია არ არის ერთადერთი ვარიანტი ელექტროენერგიის წარმოებისთვის: ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული ენერგიის ვარიანტი, რომელიც ამჟამად გამოიყენება კოსმოსური მისიებისთვის, არის მზის ენერგია. ევროპის კოსმოსური სააგენტო (ESA) იყენებს მზის ენერგიას პრაქტიკულად ყველა მისიისთვის და მისი მომავალი მარსმავალი, სახელად როზალინდ ფრანკლინი, ასევე მზის ენერგიით იქნება აღჭურვილი.

ლეოპოლდ სამერერმა, ESA-ს Advanced Concepts Team-ის ხელმძღვანელმა, რომელიც კოსმოსური მისიების ტექნოლოგიების განვითარებადი მკვლევარებმა განუცხადა. ციფრული ტენდენციები ელექტრონული ფოსტით, რომ მზის ენერგიას აქვს უპირატესობა ბირთვულ ენერგიასთან შედარებით, რადგან მას არ სჭირდება დამატებითი უსაფრთხოება ზომები. მან ასევე აღნიშნა, რომ დედამიწაზე მზის ენერგიის ტექნოლოგიის ფართო გამოყენება ნიშნავს მუდმივ განვითარებას, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას კოსმოსში მისიები: „მზის ენერგია არის სწრაფად განვითარებადი ტექნოლოგია, რომელიც გთავაზობთ მარტივ გამოყენებას, წვდომას და მაღალ სიმწიფეს, გარდა იმისა, რომ სრულად განახლებადია“, მან განაცხადა.

განვითარების ეს სწრაფი ტემპი ნიშნავს, რომ ინჟინრები ქმნიან პანელებს, რომლებიდანაც კიდევ უფრო მეტი ელექტროენერგიის წარმოება შეუძლიათ მზის შუქის იგივე რაოდენობა და სამერერი მოელის, რომ მომავალი მზის სისტემები გააგრძელებენ მეტის მიღებას ეფექტური.

”კოსმოსში ეფექტურობა კიდევ უფრო მნიშვნელოვანია, ვიდრე ადგილზე და ჩვენ მუდმივად ვაყენებთ ტექნიკურ შესაძლებლობებს”, - თქვა სამერერმა. მზის უჯრედების ეფექტურობისა და მასის შედარებით მცირე ზრდამ შეიძლება დიდი განსხვავება შეიტანოს მზის სისტემების მთლიან ღირებულებაში, განსაკუთრებით მცირე ზომის ხომალდებისთვის, როგორიცაა თანამგზავრები.

მაგრამ, როგორც ყველა ტექნოლოგია, არსებობს შეზღუდვები მზის ენერგიის გამოყენებასთან დაკავშირებით. ”მას აქვს მინუსი, რომ არის დამოკიდებული გარე წყაროზე, მზეზე და ყველა ნაკლოვანებაზე, რაც მას თან ახლავს”, - თქვა სამერერმა. ბევრ სიტუაციაში, მზის ენერგია მხოლოდ წყვეტილია. დღისა და ღამის ციკლის მქონე პლანეტაზე, ბატარეები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჭარბი ენერგიის შესანახად დღის განმავლობაში და გააგრძელოს მისი მიწოდება ღამით. მაგრამ ეს ენერგოსისტემას კიდევ ერთ მოცულობით ელემენტს მატებს, ასევე სირთულის დამატებით ფენას.

ამ პრობლემის ერთ-ერთი ფუტურისტული გადაწყვეტა, რომელიც განიხილება, არის განვითარება მზის ელექტროსადგურების გარშემო მოძრავი, რომელსაც შეუძლია იმუშაოს ზედაპირზე მზის ენერგიის პანელებთან ერთად, რათა შეაგროვოს ენერგია მზისგან და უსადენოდ გადასცეს მას ზედაპირზე. ESA ამჟამად ცნებების ძიება რომ ეს იდეა რეალობად იქცეს.

მზის შუქი მარსზე

რაც შეეხება კონკრეტულად მარსს, არსებობს გარკვეული გამოწვევები მზის ენერგიის გამოყენებასთან დაკავშირებით. რამდენადაც ის მზისგან უფრო შორს არის, ვიდრე დედამიწაა, მზის ნაკლები შუქი აღწევს პლანეტის ზედაპირს. ეს ნიშნავს, რომ მარსზე მკვლევარებს ექნებათ წვდომა მზის გამოსხივების დაახლოებით ნახევარზე, ვიდრე დედამიწაზე.

ეს არ ნიშნავს, რომ მარსზე მზის ენერგიის გამოყენება შეუძლებელია, უბრალოდ, მისიები ძალიან ფრთხილად უნდა იყვნენ ენერგიის მოხმარებასთან დაკავშირებით. NASA-ს წინა თაობის მარსმავლები, Spirit and Opportunity, იყენებდნენ მზის ენერგიას და ამჟამინდელი ორბიტები, როგორიცაა Mars Express და Mars Orbiter Mission, ასევე მზის ენერგიით იკვებება.

თუმცა, მარსზე კიდევ ერთი პრობლემაა: მტვრის ქარიშხალი. მარსს აქვს რთული ამინდის სისტემა, რომელიც ზოგჯერ იწვევს მასიური გლობალური მტვრის შტორმებს, დროებით ბლოკავს მას. მზის შუქის დიდი ნაწილი და პლანეტაზე პრაქტიკულად ყველაფერს მტვრის ფენაში ფარავს - მზის ჩათვლით პანელები. სწორედ ამან განაპირობა წარმოუდგენლად ხანგრძლივმა როვერმა Opportunity-ს საბოლოოდ დაბნელება, როდესაც 2018 წელს პლანეტაზე მასიური მტვრის ქარიშხალი შემოვიდა.

სამერერი ფიქრობს, რომ ზედაპირული და ორბიტალური მზის ელექტროსადგურების კომბინაციით, თქვენ ალბათ შეძლებთ საკმარისი ენერგიის გამომუშავებას ადამიანის ჰაბიტატისთვის. მაგრამ მან ასევე აღიარა, რომ მნიშვნელობა აქვს მზის ენერგიის გაერთიანებას სხვა ენერგიის წყაროებთან, როგორიცაა ბირთვული. „მზის ენერგია ზედაპირზე და საბოლოოდ დაკომპლექტებულმა ორბიტიდან შეიძლება უზრუნველყოს საკმარისი ენერგია მარსზე ადამიანის ჰაბიტატებისთვის, მაგრამ როგორც უახლესი როვერები აჩვენეს, როგორც გამძლეობა, რომელიც ახლახან დაეშვა, ზოგჯერ მცირე ატომური ენერგიის წყაროები იძლევა ისეთ დიდ კონკურენტულ უპირატესობას, რომ მე ველოდები, რომ ისინიც ითამაშებენ როლს. ” დაწერა.

მისიისთვის ენერგიის სწორი წყაროს არჩევა

ჰერნანდეს-ლუგო დაეთანხმა, რომ მარსის მისიისთვის ყველა სახის ენერგოსისტემას აქვს პოტენციური მნიშვნელობა, მათ შორის მზის, ბატარეებისა და ბირთვული. ”ენერგეტიკული სისტემა იქნება დამოკიდებული კონკრეტულ მისიაზე,” - თქვა მან. NASA-ს გლენის კვლევითი ცენტრი, სადაც ის მუშაობს, არის ნასას ენერგიის განვითარების ცენტრი და ახორციელებს კვლევებს ფართო ენერგიის სხვადასხვა ვარიანტები, მათ შორის ბატარეები, მზის უჯრედები, რადიო იზოტოპური სისტემები, დაშლის ენერგეტიკული სისტემები და რეგენერაციული საწვავი უჯრედები. მთავარია აირჩიოთ ენერგიის სწორი წყარო მისიის საჭიროებებისთვის, არსებული რესურსების საფუძველზე.

ბირთვულ სისტემას აქვს მკაფიო უპირატესობები ადამიანის საცხოვრებელ მისიებში. უპირველეს ყოვლისა, როდესაც გსურთ შექმნათ ენერგეტიკული სისტემა მთვარეზე და მარსზე გამოსაყენებლად, როგორც ამას აკეთებს NASA, მაშინ თქვენ უნდა გაუმკლავდეთ მთვარეზე სიბნელის ორკვირიან პერიოდებს.

”როდესაც იწყებ ფიქრს იმაზე, თუ როგორ შეიმუშავებს მისიის არქიტექტურას, რომელიც საშუალებას მოგცემთ გქონდეთ მუდმივი ძალა, მაშინ ბირთვული ძალა ამოქმედდება,” - თქვა მან. ”იმიტომ, რომ გჭირდებათ საიმედო სისტემა, რომელიც მოგცემთ უწყვეტ ენერგიას ამ ღამის ოპერაციების დროს.”

მარსისთვის ასევე მნიშვნელოვანია ენერგიის უწყვეტი გამომუშავება, განსაკუთრებით იქ მცხოვრები ასტრონავტების უსაფრთხოებისთვის. თქვენ ნამდვილად გსურთ ენერგოსისტემა, რომელიც გააგრძელებს მუშაობას ნებისმიერ ამინდის პირობებში, მტვრის სისტემის დროსაც კი, და ბირთვულ ენერგიას შეუძლია ამის უზრუნველყოფა.

ჰერნანდეს-ლუგომ ასევე აღნიშნა, რომ NASA-ს მიმდინარე მისიები მარსზე, როგორიცაა მარსი 2020, იყენებს ორივე მზის კომბინაციას. სიმძლავრე Ingenuity ვერტმფრენისთვის და ბირთვული ენერგია Perseverance როვერისთვის, რათა მოერგოს კონკრეტულ საჭიროებებს მისია.

”ამ დროისთვის, სააგენტოს ფარგლებში, ისინი ეძებენ ყველა სხვადასხვა ენერგოსისტემის წინსვლას, რათა ისინი ხელმისაწვდომი იყოს ისეთ მისიებში, როგორიცაა მთვარე და მარსი”, - თქვა მან. ”ასე რომ, ადგილი აქვს ყველა ენერგეტიკულ სისტემას.”

ეს სტატია არის ნაწილი ცხოვრება მარსზე — 10 ნაწილისგან შემდგარი სერია, რომელიც იკვლევს უახლესი მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების შესახებ, რომელიც საშუალებას მისცემს ადამიანებს დაიკავონ მარსი

რედაქტორების რეკომენდაციები

• კოსმოლოგიური მგზავრობა: მარსზე ადამიანების დაყენების რთული ლოგისტიკა
• სრულყოფილება: როგორ მივიყვანთ ადამიანებს მარსზე
• ქვიშისგან დამზადებული ციხესიმაგრეები: როგორ შევქმნით ჰაბიტატებს მარსის ნიადაგით
• მოსავლის დატენიანება: როგორ შექმნიან და შეაგროვებენ წყალს მარსზე მომავალი დევნილები
• ასტროსოფლის მეურნეობა: როგორ მოვიყვანთ ნათესებს მარსზე