외계 에너지: 화성에서 전력을 생산하는 방법

화성에서 인간의 존재를 설정하는 것은 엄청난 범위의 도전과 함께 올 것이며, 그 중 다수는 하나의 필수 요구 사항인 전력과 연결되어 있습니다. 위한 것인지 산소 생성, 로버 운전, 열과 빛 제공 또는 통신과 같이 미래의 화성 거주자는 안전을 유지하고 임무를 계속 수행하기 위해 지속적인 전기 공급이 필요합니다.

하지만 화성에는 전력망이 없으며 현재 솔루션으로는 지금까지만 가능합니다. 그렇다면 최초의 행성 외 발전소는 어떤 모습일까요? 우리는 알아보기 위해 서로 다른 두 기관의 최첨단 우주 전력 시스템에서 일하는 두 사람과 연락을 취했습니다.

이 글은 화성에 생명체 — 인간이 화성을 점령할 수 있는 최첨단 과학 기술을 탐구하는 10부작 시리즈

우주의 원자로

발전의 미래에 대한 NASA의 계획에는 우라늄 원자가 원자로 내부에서 분할되어 열을 발생시키는 핵분열 시스템이 포함됩니다. Perseverance와 같은 로버에 동력을 공급하는 방사성동위원소 시스템(RTG)과 비교하여 핵분열 시스템은 더 많은 전력 생산 여전히 작은 크기를 유지하면서.

2018년 3월, 기관의 킬로파워 프로젝트는 미래 우주 원자로의 기초로 사용될 수 있는 1킬로와트의 전력을 생산할 수 있는 핵분열 실험을 시연했습니다. 스털링 기술을 사용하는 킬로파워 원자로의 이름을 따서 KRUSTY라는 별명이 붙은 이 실험은 우라늄-235 코어에 의해 구동되었습니다. NASA 설명 "종이 타월 롤 정도의 크기"로. 이 열은 스털링 엔진이라는 메커니즘을 통해 전기로 변환됩니다.

미래의 핵분열 표면 전력 시스템은 작고 가벼우며 최소 10년 동안 작동할 수 있습니다. 그것은 달과 궁극적으로 화성에 대한 미래의 임무에 이상적인 개념을 만듭니다.

작년에 NASA는 에너지부와 함께 10킬로와트 시스템에 대한 업계의 아이디어를 요청했습니다. 4~5개의 이러한 장치는 로켓을 위한 산소 생산과 같은 수반되는 모든 작업을 통해 화성 서식지에 전력을 공급할 수 있습니다. 3~4명의 우주비행사의 요구를 충족할 뿐만 아니라 총 약 40킬로와트.

Dionne Hernandez-Lugo는 Kilopower의 프로젝트 관리자였으며 현재 NASA의 핵분열 표면 전력의 부 프로젝트 관리자입니다. 달 기술 시연에서 그녀는 Digital Trends에 다음 달에 달에서 첫 번째 장치를 테스트할 계획이라고 말했습니다. 10년.

"아이디어는 Artemis 프로그램의 일환으로 달에서 먼저 시스템을 시연하는 것입니다."라고 그녀는 말했습니다. “우리 프로젝트는 10킬로와트 시스템을 개발하고 달에서 첫 시연을 하는 것을 고려하고 있습니다. 그러면 시스템을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.” 그 후에는 필요한 설계 수정을 할 수 있으며 향후 화성 임무에 사용할 수 있습니다.

달에서의 첫 번째 테스트 계획은 동력 장치가 달 착륙선 내에 머무르는 것입니다. 장치를 착륙선에 두면 "제거할 수 있는 추가 질량을 사용하는 대신 시스템 작동이 더 쉬워집니다."라고 그녀는 설명했습니다. 그것이 그녀의 팀이 작업하는 것입니다. 그러나 그들은 또한 이동식 시스템이 어떻게 작동할 수 있는지에 대한 업계의 아이디어를 보기를 희망하고 있습니다. "지금 우리 그룹 내에서 아이디어는 착륙선 내에서 시스템을 떠나는 것입니다."라고 그녀는 말했습니다. "그러나 거기에는 많은 혁신이 있으며 현재 우리는 그들이 가질 수 있는 다른 옵션을 보기 위해 업계에서 이러한 혁신을 찾고 있습니다."

내부 NASA 연구에서는 각 10킬로와트 장치의 높이가 약 6미터(19.6피트), 너비가 2미터(6.5피트) 이상일 것으로 추정했지만 정확한 세부 사항은 최종 설계에 따라 달라집니다. NASA에서 제작한 컨셉 이미지(위)는 화성 표면에서 서로 연결된 4개의 장치를 보여주며 기지에 전력을 공급하므로 화성 발전소가 어떤 모습일지 상상할 수 있습니다.

원자력의 안전성

지구상에서 원자력을 사용할 때 사람들이 염려하는 경향이 있는 한 가지 요소는 안전이며 이는 우주 임무에도 적용됩니다. 킬로파워 시연에 사용된 우라늄과 같이 원자력 발전소에 사용되는 방사성 원소는 사람에게 위험하고 근처의 전자 장치에 문제를 일으킬 수 있는 방사선을 발산합니다. 장비.

사람과 전자 장치를 모두 안전하게 보호하기 위해 핵분열 발전 시스템은 방사선을 포함하는 두꺼운 금속 차폐로 둘러싸여 있습니다. 화성 임무를 위한 모든 새로운 전력 시스템은 지구에서 광범위한 테스트를 거쳐야 합니다. 작동 테스트, 진공 테스트 및 진동 테스트와 같은 극한 조건에서도 안전했습니다. 테스트.

Hernandez-Lugo는 NASA가 과거에 다양한 유형의 레이저를 사용한 20개 이상의 임무를 이미 시작했다고 지적했습니다. 원자력 시스템, “그래서 NASA는 원자력 시스템을 달과 화성."

Kilopower 시연에서 사용된 전력 시스템에 고농축 우라늄을 사용하는 것에 대한 우려도 있습니다. 이 물질은 핵무기 제조에도 사용될 수 있으므로 일부 정치 지도자들은 우려 우주 프로젝트에서 그것을 사용하면 지구상의 확산을 촉진할 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 미래의 표면 핵분열 시스템은 저농축 우라늄을 대신 사용할 수 있습니다. 이 우라늄은 지구상의 원자로에서 일반적으로 사용되며 무기 등급이 아닙니다. “저농축 우라늄 설계는 규제 감소와 최근의 국가 우주 핵 정책 지침 준수”라고 Hernandez-Lugo는 후속 조치에서 썼습니다. 이메일. "임무가 우세한 필요를 가지고 있다면 고농축 우라늄의 사용은 여전히 ​​가능합니다."

그만큼 최신 우주 정책 지침지난해 12월 백악관이 발표한, 고농축 우라늄만 사용 가능 다양한 정부 기관의 승인을 받고 해당 절차를 완료할 수 있는 유일한 방법으로 사명.

태양 에너지

그러나 원자력이 발전을 위한 유일한 옵션은 아닙니다. 현재 우주 임무에 사용되는 가장 일반적인 전력 옵션 중 하나는 태양열입니다. 유럽우주국(ESA)은 거의 모든 임무에 태양열 에너지를 사용하며 곧 출시될 로잘린드 프랭클린(Rosalind Franklin)이라는 화성 탐사선도 태양열 에너지를 사용할 예정입니다.

우주 임무를 위한 새로운 기술을 연구하는 ESA의 고급 개념 팀 책임자인 Leopold Summerer는 다음과 같이 말했습니다. 태양광 발전은 추가적인 안전이 필요하지 않다는 점에서 원자력보다 유리하다는 이메일 속 디지털 트렌드 측정. 그는 또한 지구에서 태양광 발전 기술을 광범위하게 사용한다는 것은 우주에 적용할 수 있는 지속적인 개발을 의미한다고 지적했습니다. 임무: "태양광 발전은 완전히 재생 가능할 뿐만 아니라 사용, 접근 및 높은 완성도를 제공하는 빠르게 진화하는 기술입니다." 말했다.

이 빠른 개발 속도는 엔지니어가 더 많은 전기를 생산할 수 있는 패널을 설계하고 있음을 의미합니다. 같은 양의 햇빛을 받고 Summerer는 미래의 태양계가 계속해서 더 많은 햇빛을 받을 것으로 예상합니다. 효율적인.

Summerer는 "우주에서 효율성은 지상보다 훨씬 더 중요하며 우리는 기술적으로 가능한 것을 지속적으로 추진하고 있습니다."라고 말했습니다. 태양 전지의 효율성과 질량이 상대적으로 조금만 증가해도 특히 위성과 같은 소형 우주선의 경우 태양광 시스템의 총 비용에 큰 차이를 만들 수 있습니다.

그러나 모든 기술이 그렇듯 태양광 발전에도 한계가 있다. Summerer는 "외부 소스, 태양 및 그에 따른 모든 단점에 의존한다는 단점이 있습니다."라고 말했습니다. 많은 상황에서 태양으로부터의 전력은 간헐적입니다. 낮과 밤 주기가 있는 행성에서는 배터리를 사용하여 낮 동안 잉여 전력을 저장하고 밤에 계속 공급할 수 있습니다. 그러나 이것은 전력 시스템에 또 다른 부피가 큰 요소를 추가하고 복잡성을 추가합니다.

고려되고 있는 이 문제에 대한 한 가지 미래 해결책은 궤도를 도는 태양광 발전소표면에 있는 태양광 발전 패널과 함께 작동하여 태양으로부터 에너지를 수집하고 무선으로 표면에 비출 수 있습니다. ESA는 현재 개념 찾기 이 아이디어를 현실로 만들기 위해.

화성의 햇빛

그러나 특히 화성에 관해서는 태양 에너지를 사용하는 데 몇 가지 문제가 있습니다. 지구보다 태양에서 더 멀기 때문에 행성 표면에 도달하는 햇빛이 적습니다. 즉, 화성의 탐험가는 지구에서 받는 태양광의 절반 정도에 접근할 수 있습니다.

그렇다고 해서 화성에서 태양광 발전을 사용하는 것이 불가능하다는 의미는 아닙니다. 단지 미션에서 전력 사용에 매우 주의해야 한다는 것입니다. NASA의 이전 세대 화성 탐사선인 스피릿(Spirit)과 오퍼튜니티(Opportunity)는 태양열 발전을 사용했으며 현재 화성 익스프레스(Mars Express)와 화성 궤도선 미션(Mars Orbiter Mission)과 같은 궤도선도 태양열을 사용합니다.

그러나 화성에는 또 다른 문제가 있습니다. 먼지 폭풍. 화성은 때때로 거대한 지구 먼지 폭풍을 일으켜 일시적으로 차단하는 복잡한 기상 시스템을 가지고 있습니다. 태양 빛의 대부분을 차지하고 태양을 포함하여 지구상의 거의 모든 것을 먼지 층으로 덮고 있습니다. 패널. 2018년 엄청난 먼지 폭풍이 행성을 휩쓸었을 때 믿을 수 없을 정도로 수명이 긴 오퍼튜니티 로버가 결국 어두워지는 원인이었습니다.

Summerer는 표면 및 궤도 태양열 발전소를 결합하여 인간 거주지에 충분한 전력을 생산할 수 있다고 생각합니다. 그러나 그는 또한 태양열 발전을 원자력과 같은 다른 전력원과 결합하는 데 가치가 있음을 인정했습니다. "표면의 태양광 발전과 궁극적으로 궤도에서 보완되는 것은 화성의 인간 거주지에 충분한 전력을 제공할 수 있지만 최신 로버에서 입증된 것처럼 Perseverance가 이제 막 안착한 것처럼 때로는 작은 원자력 발전소가 큰 경쟁 우위를 제공하므로 이것들도 역할을 할 것으로 기대합니다.”라고 그는 말했습니다. 썼다.

임무에 적합한 전원 선택

Hernandez-Lugo는 태양열, 배터리, 원자력을 포함하여 화성 임무를 위한 모든 종류의 전력 시스템에 잠재적 가치가 있다는 데 동의했습니다. "전력 시스템은 특정 임무에 따라 달라질 것입니다."라고 그녀는 말했습니다. 그녀가 근무하는 NASA의 글렌 연구 센터는 NASA의 전력 개발 센터이며 광범위한 연구를 수행합니다. 배터리, 태양 전지, 방사성 동위 원소 시스템, 핵분열 발전 시스템 및 재생 연료를 포함한 다양한 전력 옵션 세포. 핵심은 사용 가능한 리소스를 기반으로 임무 요구에 맞는 올바른 전원을 선택하는 것입니다.

인간 거주 임무를 위한 핵 시스템에는 뚜렷한 이점이 있습니다. 첫째, NASA처럼 달과 화성 모두에서 사용할 수 있는 전력 시스템을 설계하려면 달에서 2주간의 어둠을 처리해야 합니다.

“지속적인 힘을 가질 수 있는 임무 구조를 어떻게 설계할 것인지에 대해 생각하기 시작하면 그때가 핵이 작용하는 때입니다.”라고 그녀는 말했습니다. "야간 작업 중에도 지속적으로 전력을 공급할 수 있는 안정적인 시스템이 필요하기 때문입니다."

화성의 경우 지속적인 전력 생산도 중요합니다. 특히 그곳에 거주하는 우주비행사의 안전을 위해서는 더욱 그렇습니다. 어떤 기상 조건에서도, 심지어 먼지가 많은 시스템에서도 계속 작동할 수 있는 전원 시스템을 확실히 원할 것입니다. 원자력이 그것을 제공할 수 있습니다.

Hernandez-Lugo는 또한 Mars 2020과 같은 현재 NASA의 화성 임무는 두 가지 태양 에너지의 조합을 사용한다고 지적했습니다. Ingenuity 헬리콥터를 위한 동력과 Perseverance 로버를 위한 원자력을 통해 사명.

"현재 기관 내에서 그들은 달과 화성과 같은 임무에서 사용할 수 있도록 모든 다른 전력 시스템을 발전시키는 것을 검토하고 있습니다."라고 그녀는 말했습니다. "그래서 모든 전력 시스템을 위한 장소가 있습니다."

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