외계 에너지: 화성에서 전력을 생산하는 방법

화성에 인간 존재를 설정하는 데는 매우 다양한 과제가 수반되며, 그 중 다수는 하나의 필수 요구 사항인 전력과 연결되어 있습니다. 그것을 위한 것인지 산소를 생성, 로버 운전, 열과 빛 제공, 통신 제공 등 미래의 화성 주민들은 안전을 유지하고 임무를 계속 수행하기 위해 지속적인 전기 공급이 필요할 것입니다.

하지만 화성에는 전력망이 없으며 현재의 솔루션으로는 지금까지만 도달할 수 있습니다. 그렇다면 최초의 외계 발전소는 어떤 모습일까요? 우리는 알아보기 위해 서로 다른 두 기관의 최첨단 우주 전력 시스템에서 일하는 두 사람에게 연락했습니다.

이 기사는 다음의 일부입니다. 화성에 생명체 — 인간이 화성을 점령할 수 있게 해주는 최첨단 과학과 기술을 탐구하는 10부작 시리즈

우주의 원자로

NASA의 미래 발전 계획에는 우라늄 원자가 원자로 내부에서 쪼개져 열을 생성하는 핵분열 시스템이 포함됩니다. Perseverance와 같은 로버에 전력을 공급하는 방사성 동위원소 시스템(RTG)과 비교하여 핵분열 시스템은 더 많은 전력을 생산하다 여전히 작은 크기를 유지하면서.

2018년 3월, 해당 기관의 Kilopower 프로젝트는 미래 우주 원자로의 기초로 사용될 수 있는 1kW의 전력을 생산할 수 있는 핵분열 실험을 시연했습니다. 스털링 기술을 사용하는 킬로파워 원자로의 이름을 따서 KRUSTY라는 별명을 붙인 이 실험은 우라늄-235 핵에 의해 구동되었습니다. NASA는 설명 "종이 타월 롤 크기 정도"입니다. 이로 인해 발생된 열은 스털링 엔진이라는 메커니즘을 통해 전기로 변환되었습니다.

미래의 핵분열 표면 전력 시스템은 작고 가벼우며 최소 10년 동안 운영될 수 있습니다. 따라서 이 개념은 미래의 달 탐사, 궁극적으로는 화성 탐사에 이상적입니다.

작년에 NASA는 에너지부와 함께 10kW 시스템에 대한 업계 아이디어를 모집했습니다. 4~5개의 그러한 장치는 로켓용 산소 생산과 같은 모든 것을 수반하는 화성 서식지에 전력을 공급할 수 있습니다. 추진체는 물론 3~4명의 우주비행사의 필요를 충족시킬 수 있으며, 이는 총 약 40킬로와트.

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

“아르테미스 프로그램의 일환으로 달에서 시스템을 처음으로 시연하는 것이 아이디어입니다.”라고 그녀는 말했습니다. “우리 프로젝트는 10kW 시스템을 개발하고 달에서 최초로 시연하는 것을 검토하고 있습니다. 그러면 시스템을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.” 그 후에는 필요한 모든 설계 수정이 가능하며 향후 화성 임무에 사용될 수 있습니다.

달에서의 첫 번째 테스트 계획은 동력 장치를 달 착륙선 내에 유지하는 것입니다. 그녀는 장치를 착륙선에 그대로 두면 "제거를 위해 추가 질량을 사용하는 것보다 시스템을 더 쉽게 작동하는 데 도움이 됩니다"라고 설명했습니다. 그것이 그녀의 팀이 노력하고 있는 일입니다. 그러나 그들은 또한 이동식 시스템이 어떻게 작동할 수 있는지에 대한 업계의 아이디어를 기대하고 있습니다. “현재 우리 그룹 내에서는 착륙선 내에 시스템을 남겨두는 것이 아이디어입니다.”라고 그녀는 말했습니다. "그러나 거기에는 많은 혁신이 있으며 현재 우리는 업계에서 이러한 혁신을 모색하여 그들이 가질 수 있는 다른 옵션을 확인하고 있습니다."

NASA 내부 연구에 따르면 각 10kW 장치의 높이는 약 6m(19.6피트), 너비는 2m(6.5피트)가 넘을 것으로 추정되지만 정확한 세부 사항은 최종 설계에 따라 달라집니다. NASA가 제작한 컨셉 이미지(위)는 화성 표면에 4개의 장치가 서로 연결되어 기지에 전력을 공급하는 모습을 보여줍니다. 따라서 화성 발전소가 어떤 모습일지 상상할 수 있습니다.

원자력의 안전성

지구상에서 원자력을 사용할 때 사람들이 우려하는 요소 중 하나는 안전이며 이는 우주 임무에도 적용됩니다. 킬로파워(Kilopower) 시연에 사용된 우라늄처럼 원자력 발전용 원자로에 사용되는 방사성 원소는 인간에게 위험하고 근처의 전자 장치에도 문제를 일으킬 수 있는 방사선을 방출합니다. 장비.

사람과 전자 장치 모두를 안전하게 보호하기 위해 핵분열 발전 시스템은 방사선을 포함하는 두꺼운 금속 차폐물로 둘러싸여 있습니다. 화성 임무를 위한 모든 새로운 전력 시스템은 이를 확인하기 위해 지구에서 광범위한 테스트를 거칩니다. 작동 테스트, 진공 테스트, 진동 테스트 등 극한 조건에서도 안전합니다. 테스트.

Hernandez-Lugo는 NASA가 과거에 이미 다양한 유형의 무기를 사용한 20개 이상의 임무를 시작했다고 지적했습니다. NASA는 달과 우주에 원자력 시스템을 발사하는 데 전문 지식과 배경을 갖고 있습니다. 화성."

Kilopower 시연에서 사용한 전력 시스템에 고농축 우라늄을 사용하는 것에 대한 우려도 있습니다. 이 물질은 핵무기를 만드는 데에도 사용될 수 있으므로 일부 정치 지도자들은 우려하고 있다 우주 프로젝트에서 그것을 사용하면 지구에서의 확산을 촉진할 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 미래의 표면 핵분열 시스템은 저농축 우라늄을 대신 사용할 수 있습니다. 이는 지구상의 동력로에서 일반적으로 사용되며 무기급이 아닙니다. “저농축 우라늄 설계는 규제 완화와 규제 완화 측면에서 매우 매력적입니다. 최근 국가 우주 핵 정책 지침을 준수하고 있습니다.”라고 Hernandez-Lugo는 후속 조치에서 썼습니다. 이메일. “임무 수행에 꼭 필요한 경우 고농축 우라늄 사용은 여전히 ​​가능합니다.”

그만큼 최신 우주 정책 지침지난해 12월 백악관이 발표한 '고농축 우라늄'만 허용됐다. 다양한 정부 기관의 승인을 받고 이를 완료하는 유일한 방법으로 입증될 수 있는 경우 사명.

태양으로부터의 에너지

하지만 원자력이 발전을 위한 유일한 옵션은 아닙니다. 현재 우주 임무에 사용되는 가장 일반적인 전력 옵션 중 하나는 태양광 발전입니다. 유럽우주국(ESA)은 사실상 모든 임무에 태양에너지를 사용하며 곧 출시될 로잘린드 프랭클린(Rosalind Franklin)이라는 화성탐사로버도 태양에너지를 사용할 예정이다.

우주 임무를 위한 새로운 기술을 연구하는 ESA의 고급 개념 팀 책임자인 Leopold Summerer는 다음과 같이 말했습니다. 디지털 트렌드에 따르면 태양광 발전은 추가적인 안전이 필요하지 않다는 점에서 원자력 발전보다 유리합니다. 측정. 그는 또한 지구에서 태양광 발전 기술을 광범위하게 활용하는 것은 우주에도 적용할 수 있는 지속적인 발전을 의미한다고 지적했습니다. 임무: "태양광 발전은 완전히 재생 가능하며 사용하기 쉽고 접근하기 쉽고 성숙도가 높은 빠르게 발전하는 기술입니다." 말했다.

이러한 빠른 개발 속도는 엔지니어가 더 많은 전기를 생산할 수 있는 패널을 설계하고 있음을 의미합니다. 동일한 양의 햇빛을 제공하며 Summerer는 미래의 태양계가 계속해서 더 많은 양의 햇빛을 얻을 것으로 예상합니다. 효율적인.

Summerer는 “우주에서는 효율성이 지상보다 훨씬 더 중요하며 우리는 기술적으로 가능한 것을 끊임없이 추진하고 있습니다.”라고 말했습니다. 태양전지의 효율성과 질량이 상대적으로 조금만 증가하더라도 태양광 시스템의 총 비용은 크게 달라질 수 있으며, 특히 위성과 같은 소형 선박의 경우 더욱 그렇습니다.

하지만 모든 기술이 그렇듯 태양광 발전에도 한계가 있습니다. Summerer는 “외부 소스, 태양에 의존한다는 단점과 이에 따른 모든 단점이 있습니다.”라고 말했습니다. 많은 상황에서 태양으로부터의 전력은 간헐적으로만 제공됩니다. 낮과 밤의 주기가 있는 행성에서는 배터리를 사용하여 낮 동안 잉여 전력을 저장하고 밤에도 계속 공급할 수 있습니다. 그러나 이로 인해 전력 시스템에 또 다른 부피가 큰 요소가 추가되고 복잡성이 추가됩니다.

고려되고 있는 이 문제에 대한 한 가지 미래적 해결책은 궤도를 도는 태양광 발전소, 표면의 태양광 발전 패널과 함께 작동하여 태양으로부터 에너지를 수집하고 무선으로 표면으로 전송할 수 있습니다. ESA는 현재 개념을 추구하다 이 아이디어를 현실로 만들기 위해.

화성의 햇빛

하지만 특히 화성에 관해서는 태양 에너지를 사용하는 데 몇 가지 어려움이 있습니다. 지구보다 태양에서 더 멀리 떨어져 있기 때문에 행성 표면에 도달하는 햇빛의 양이 적습니다. 이는 화성의 탐험가들이 지구에서 느끼는 태양 복사량의 약 절반에 접근할 수 있다는 것을 의미합니다.

이는 화성에서 태양광 발전을 사용하는 것이 불가능하다는 의미가 아니라, 임무 수행 시 전력 사용에 매우 주의해야 한다는 의미입니다. NASA의 이전 세대 화성 탐사선인 Spirit과 Opportunity는 태양 에너지를 사용했으며 Mars Express 및 Mars Orbiter Mission과 같은 현재 궤도선도 태양 에너지를 사용합니다.

하지만 화성에는 또 다른 문제가 있습니다. 먼지 폭풍. 화성은 때때로 엄청난 규모의 먼지 폭풍을 일으키고 일시적으로 먼지 폭풍을 일으키는 복잡한 기상 시스템을 가지고 있습니다. 태양 빛의 대부분은 태양을 포함하여 지구상의 거의 모든 것을 먼지 층으로 덮고 있습니다. 패널. 이것이 바로 2018년 엄청난 먼지 폭풍이 지구를 휩쓸었을 때 믿을 수 없을 정도로 수명이 긴 기회 로버가 결국 어두워지는 원인이었습니다.

Summerer는 표면 태양광 발전소와 궤도 태양광 발전소를 결합하면 인간 서식지에 충분한 전력을 생산할 수 있다고 생각합니다. 그러나 그는 또한 태양광 발전을 원자력과 같은 다른 전력원과 결합하는 데 가치가 있음을 인정했습니다. “표면의 태양 에너지와 궁극적으로 궤도에서 보완되는 태양 에너지는 화성의 인간 서식지에 충분한 전력을 제공할 수 있지만 최신 탐사선에서 입증된 것처럼 막 착륙한 Perseverance, 때로는 작은 원자력 발전소가 큰 경쟁 우위를 제공하기 때문에 이것들도 역할을 할 것으로 기대됩니다.”라고 그는 말했습니다. 썼다.

임무에 적합한 전원 선택

Hernandez-Lugo는 태양광, 배터리, 원자력을 포함하여 화성 임무를 위한 모든 종류의 전력 시스템에 잠재적인 가치가 있다는 데 동의했습니다. “전력 시스템은 특정 임무에 따라 달라질 것입니다.”라고 그녀는 말했습니다. 그녀가 일하는 NASA의 글렌 연구 센터는 NASA의 전력 개발 센터이며 광범위한 연구를 수행합니다. 배터리, 태양전지, 방사성 동위원소 시스템, 핵분열 발전 시스템, 재생 연료를 포함한 다양한 전력 옵션 세포. 핵심은 사용 가능한 자원을 기반으로 임무 요구에 맞는 올바른 전원을 선택하는 것입니다.

인간 거주 임무를 위한 원자력 시스템에는 뚜렷한 이점이 있습니다. 첫째, NASA처럼 달과 화성 모두에서 사용할 전력 시스템을 설계하려면 달에서 2주 동안 지속되는 어둠의 기간을 처리해야 합니다.

“지속적인 전력을 보유할 수 있는 임무 아키텍처를 어떻게 설계할지 생각하기 시작하면 그때부터 핵이 작동하게 됩니다.”라고 그녀는 말했습니다. "야간 작업 중에 지속적인 전력을 공급할 수 있는 안정적인 시스템이 필요하기 때문입니다."

화성의 경우, 특히 그곳에 거주하는 우주비행사의 안전을 위해 지속적인 전력 생산도 중요합니다. 여러분은 분진 시스템이 있는 동안에도 어떠한 기상 조건에서도 계속 작동할 수 있는 전력 시스템을 원하며, 원자력 발전이 이를 제공할 수 있습니다.

Hernandez-Lugo는 또한 Mars 2020과 같이 화성에 대한 현재 NASA 임무가 두 태양 에너지의 조합을 사용한다고 지적했습니다. Ingenuity 헬리콥터의 전력과 Perseverance 탐사선의 원자력 발전은 사명.

“현재 기관 내에서는 달이나 화성과 같은 임무에 사용할 수 있도록 다양한 전력 시스템을 발전시키는 방법을 모색하고 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다. "그래서 모든 전력 시스템을 위한 장소가 있습니다."

이 기사는 다음의 일부입니다. 화성에 생명체 — 인간이 화성을 점령할 수 있게 해주는 최첨단 과학과 기술을 탐구하는 10부작 시리즈

편집자의 추천

• 우주 통근: 화성에 사람을 보내는 까다로운 물류
• 완벽한 추진력: 인간을 화성에 보내는 방법
• 모래로 만든 성: 화성 토양으로 서식지를 만드는 방법
• 수분 수확: 미래 정착민들이 화성에서 물을 생성하고 수집하는 방법
• 천체 농업: 화성에서 작물을 재배하는 방법