Žmogaus buvimo Marse nustatymas susidurs su daugybe iššūkių, kurių daugelis yra susiję su vienu esminiu reikalavimu: galia. Nesvarbu, ar jis skirtas sukuriant deguonį, vairuoti roverius, tiekti šilumą ir šviesą ar ryšius, būsimiems Marso gyventojams reikės nuolatinės elektros energijos tiekimo, kad jie būtų saugūs ir vyktų misija.
Turinys
- Branduoliniai reaktoriai kosmose
- Branduolinės energetikos sauga
- Energija iš saulės
- Saulės šviesa Marse
- Tinkamo energijos šaltinio pasirinkimas misijai
Vis dėlto Marse nėra elektros tinklo, o dabartiniai sprendimai gali nuvesti tik iki šiol. Taigi, kaip atrodys pirmoji ne planetos elektrinė? Siekdami išsiaiškinti, susisiekėme su dviem žmonėmis, dirbančiais pažangiausiuose kosmoso energijos sistemų srityje dviejose skirtingose agentūrose.
Rekomenduojami vaizdo įrašai
Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse - 10 dalių serija, kurioje nagrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą
Branduoliniai reaktoriai kosmose
NASA ateities energijos gamybos planuose yra branduolių dalijimosi sistemos, kuriose urano atomai yra skaidomi reaktoriaus viduje, kad būtų sukurta šiluma. Palyginti su radioizotopų sistemomis (RTG), kuriomis varomi rovai, pavyzdžiui, Perseverance, dalijimosi sistemos gali
gaminti daugiau galios nors ir lieka mažo dydžio.2018 m. kovą agentūros Kilopower projektas parodė dalijimosi eksperimentą, galintį pagaminti 1 kilovatą galios, kuri galėtų būti panaudota kaip būsimų kosminių reaktorių pagrindas. Eksperimentas, pramintas KRUSTY pagal Kilopower reaktorių naudojant Stirlingo technologiją, buvo maitinamas urano-235 šerdies, kuri NASA aprašė kaip „apie popierinio rankšluosčio ritinėlio dydį“. Tai gamino šilumą, kuri vėliau buvo paversta elektra naudojant mechanizmą, vadinamą Stirlingo varikliu.
Būsima dalijimosi paviršiaus energijos sistema bus maža ir lengva bei gali veikti mažiausiai 10 metų. Dėl to ši koncepcija idealiai tinka būsimoms misijoms į Mėnulį ir galiausiai į Marsą.
Praėjusiais metais NASA kartu su Energetikos departamentu pakvietė pramonės idėjas dėl 10 kilovatų sistemos. Keturi ar penki tokie agregatai galėtų aprūpinti Marso buveinę su viskuo, ko reikia, pavyzdžiui, deguonies gamyba raketoms. raketinio kuro, taip pat patenkinti trijų ar keturių astronautų poreikius, kuriems, kaip manoma, iš viso reikės maždaug 40 kilovatų.
Dionne Hernandez-Lugo buvo Kilopower projekto vadovas, o dabar yra NASA dalijimosi paviršiaus galios projekto vadovo pavaduotojas. Mėnulio technologijų demonstraciją, ir ji pasakė „Digital Trends“, kad jie ketina išbandyti pirmąjį įrenginį Mėnulyje per kitą dešimtmetis.
„Idėja yra pirmiausia pademonstruoti sistemą Mėnulyje kaip Artemis programos dalį“, - sakė ji. „Mūsų projektas siekia sukurti 10 kilovatų sistemą ir atlikti pirmąją demonstraciją Mėnulyje. Tai padėtų mums suprasti sistemą. Po to bus galima atlikti bet kokius reikiamus dizaino pakeitimus ir naudoti būsimose misijose į Marsą.
Pirmojo bandymo Mėnulyje planas yra, kad jėgos blokas liktų Mėnulio nusileidimo aparate. Agregato palikimas nusileidimo įrenginyje „padeda lengviau valdyti sistemą, o ne paima papildomą masę, kurią būtų galima išimti“, – paaiškino ji. Prie to ir dirba jos komanda. Tačiau jie taip pat tikisi sulaukti pramonės idėjų, kaip galėtų veikti ir išimama sistema. „Šiuo metu mūsų grupėje idėja yra palikti sistemą nusileidimo įrenginyje“, - sakė ji. "Tačiau yra daug naujovių, ir šiuo metu mes ieškome tų naujovių iš pramonės, kad pamatytume kitas galimybes, kurias jie turėtų."
Vidinis NASA tyrimas apskaičiavo, kad kiekvienas 10 kilovatų agregatas bus maždaug šešių metrų (19,6 pėdos) aukščio ir daugiau nei dviejų metrų (6,5 pėdos) pločio, nors tiksli informacija priklausys nuo galutinio projekto. NASA sukurtame koncepciniame paveikslėlyje (aukščiau) pavaizduoti keturi tokie agregatai, sujungti Marso paviršiuje, kad būtų tiekiama energija ten esančiai bazei, todėl galite įsivaizduoti, kaip galėtų atrodyti Marso elektrinė.
Branduolinės energetikos sauga
Vienas veiksnys, dėl kurio žmonės linkę nerimauti, kai kalbama apie branduolinės energijos naudojimą Žemėje, yra sauga, ir tai taikoma ir kosminėms misijoms. Branduoliniuose reaktoriuose naudojami radioaktyvieji elementai, tokie kaip uranas, naudojamas Kilopower demonstracijoje, skleisti spinduliuotę, kuri yra pavojinga žmonėms ir gali sukelti problemų su netoliese esančia elektronine įranga įranga.
Kad ir žmonės, ir elektronika būtų saugūs, dalijimosi energijos sistemos yra apsuptos storu metaliniu ekranu, kuriame yra spinduliuotė. Bet kuri nauja Marso misijos maitinimo sistema būtų išsamiai išbandyta Žemėje, kad būtų įsitikinta buvo saugus net esant ekstremalioms sąlygoms, tokioms kaip eksploataciniai bandymai, vakuuminiai bandymai ir vibracijos testavimas.
Hernandez-Lugo pažymėjo, kad NASA praeityje jau pradėjo daugiau nei 20 misijų, kuriose buvo naudojami įvairūs branduolinės energijos sistemos, „todėl NASA turi patirties ir žinių paleisti branduolinės energijos sistemas tiek į Mėnulį, tiek į Mėnulį Marsas“.
Taip pat susirūpinimą kelia labai prisodrinto urano naudojimas energetikos sistemose, būtent tai buvo naudojama Kilopower demonstracijoje. Ši medžiaga taip pat gali būti naudojama branduoliniams ginklams gaminti, taigi kai kurie politiniai lyderiai nerimauja kad jo naudojimas kosmoso projektuose gali paskatinti jo plitimą Žemėje.
Siekiant išspręsti šias problemas, būsimos paviršinio dalijimosi sistemos galėtų vietoj to naudoti mažai prisodrintą uraną, kuris dažniausiai naudojamas Žemės energijos reaktoriuose ir nėra tinkamas ginklams. „Mažai prisodrinto urano konstrukcijos yra labai patrauklios sumažinto reguliavimo požiūriu ir atitikimas naujausioms nacionalinėms kosminės branduolinės politikos direktyvoms“, – rašė Hernandez-Lugo paštu. „Itin prisodrinto urano naudojimas vis dar įmanomas, jei misija turi vyraujantį poreikį“.
The naujausia kosmoso politikos direktyva, kurį Baltieji rūmai išleido praėjusių metų gruodį, leidžia naudoti tik labai prisodrintą uraną jei jį patvirtina įvairios valdžios institucijos ir gali būti įrodyta, kad tai vienintelis būdas užbaigti a misija.
Energija iš saulės
Branduolinė energija nėra vienintelė energijos gamybos galimybė: viena iš labiausiai paplitusių energijos galimybių, naudojamų kosminėse misijose šiuo metu, yra saulės energija. Europos kosmoso agentūra (ESA) praktiškai visoms savo misijoms naudoja saulės energiją, o būsimas marsaeigis, vadinamas Rosalind Franklin, taip pat bus varomas saulės energija.
„Kosmose efektyvumas yra dar svarbesnis nei ant žemės, todėl nuolat stengiamės tai, kas techniškai įmanoma.
Leopoldas Summereris, ESA pažangių koncepcijų komandos vadovas, kurį papasakojo tyrėjai, naujos technologijos kosminėms misijoms. Skaitmeninės tendencijos elektroniniame laiške, kad saulės energija turi pranašumą prieš branduolinę energiją, nes jai nereikia papildomos saugos priemones. Jis taip pat atkreipė dėmesį, kad platus saulės energijos technologijų naudojimas Žemėje reiškia nuolatinius pokyčius, kurie gali būti pritaikyti kosmose misijos: „Saulės energija yra sparčiai besivystanti technologija, kuri siūlo paprastą naudojimą, prieigą ir ilgaamžiškumą, be to, kad ji yra visiškai atsinaujinanti. sakė.
Šis spartus plėtros tempas reiškia, kad inžinieriai kuria plokštes, kurios gali pagaminti dar daugiau elektros energijos tiek pat saulės šviesos, o Summereris tikisi, kad ateities saulės sistemos ir toliau gaus daugiau efektyvus.
„Kosmose efektyvumas yra dar svarbesnis nei ant žemės, todėl nuolat stengiamės tai, kas techniškai įmanoma“, – sakė Summereris. Santykinai nedidelis saulės elementų efektyvumo ir masės padidėjimas gali turėti didelį skirtumą bendrai saulės energijos sistemų kainai, ypač mažesniems laivams, pvz., palydovams.
Tačiau, kaip ir visos technologijos, saulės energijos naudojimas turi apribojimų. „Jo trūkumas yra priklausomybė nuo išorinio šaltinio, saulės, ir visi su ja susiję trūkumai“, - sakė Summereris. Daugeliu atvejų saulės energija tiekiama tik pertraukiamai. Planetoje su dienos ir nakties ciklais baterijos gali būti naudojamos energijos perteklių kaupti dieną ir tiekti ją naktį. Tačiau tai prideda dar vieną didelį energijos sistemos elementą ir papildomą sudėtingumo sluoksnį.
Vienas svarstomas futuristinis šios problemos sprendimas yra plėtra skriejančių saulės elektrinių, kuris galėtų veikti kartu su saulės energijos plokštėmis ant paviršiaus, kad surinktų saulės energiją ir belaidžiu būdu nusviestų ją į paviršių. ESA šiuo metu ieškant sąvokų kad ši idėja taptų realybe.
Saulės šviesa Marse
Tačiau kalbant apie Marsą, kyla tam tikrų iššūkių naudojant saulės energiją. Kadangi ji yra toliau nuo saulės nei Žemė, planetos paviršių pasiekia mažiau saulės šviesos. Tai reiškia, kad tyrinėtojai Marse turės prieigą prie maždaug pusės saulės apšvitos, nei būtų Žemėje.
Tai nereiškia, kad Marse neįmanoma naudoti saulės energijos, tiesiog misijos turi būti labai atsargios. NASA ankstesnės kartos marsaeigiai „Spirit“ ir „Opportunity“ naudojo saulės energiją, o dabartiniai orbitai, tokie kaip „Mars Express“ ir „Mars Orbiter Mission“, taip pat yra varomi saulės energija.
Tačiau Marse yra dar viena problema: Dulkių audros. Marse yra sudėtinga oro sistema, dėl kurios kartais kyla didžiulės pasaulinės dulkių audros, kurios laikinai užblokuoja didžiąją dalį saulės šviesos ir praktiškai viską planetoje dengia dulkių sluoksniu, įskaitant saulę plokštės. Dėl šios priežasties neįtikėtinai ilgai gyvavęs roveris „Opportunity“ galiausiai užtemo, kai 2018 m. planetą nuvilnijo didžiulė dulkių audra.
Summereris mano, kad derindami paviršines ir orbitines saulės jėgaines tikriausiai galėtumėte sukurti pakankamai energijos žmogaus buveinei. Tačiau jis taip pat pripažino, kad verta derinti saulės energiją su kitais energijos šaltiniais, tokiais kaip branduolinė. „Saulės energija ant paviršiaus ir galiausiai papildyta iš orbitos gali užtikrinti pakankamai energijos Marse esančių žmonių buveinėms, tačiau, kaip parodė naujausi roveriai, kaip atkaklumas, kuris ką tik nusileido, kartais maži branduolinės energijos šaltiniai suteikia tokį didelį konkurencinį pranašumą, kad tikiuosi, kad jie taip pat suvaidins tam tikrą vaidmenį. rašė.
Tinkamo energijos šaltinio pasirinkimas misijai
Hernandez-Lugo sutiko, kad Marso misijai gali būti naudingos visos energijos sistemos, įskaitant saulės energiją, baterijas ir branduolinę energiją. „Energijos sistema priklausys nuo konkrečios misijos“, – sakė ji. NASA Glenn tyrimų centras, kuriame ji dirba, yra NASA energijos plėtros centras ir atlieka plataus masto tyrimus įvairių maitinimo variantų, įskaitant baterijas, saulės elementus, radijo izotopų sistemas, dalijimosi energijos sistemas ir regeneracinį kurą ląstelės. Svarbiausia yra pasirinkti tinkamą energijos šaltinį, atitinkantį misijos poreikius, atsižvelgiant į turimus išteklius.
Branduolinė sistema turi neabejotinų pranašumų, susijusių su žmonių gyvenamosiomis misijomis. Pirma, kai norite sukurti energijos sistemą, skirtą naudoti ir Mėnulyje, ir Marse, kaip tai daro NASA, turite susidoroti su dvi savaites trunkančiais tamsos periodais Mėnulyje.
„Kai pradedi galvoti apie tai, kaip sukurti misijos architektūrą, kuri leistų turėti nuolatinę galią, tada atsiranda branduolinė energija“, – sakė ji. „Kadangi jums reikia patikimos sistemos, kuri tų naktinių operacijų metu užtikrintų nuolatinę galią.
Marsui taip pat svarbu nuolat generuoti energiją, ypač ten gyvenančių astronautų saugumui. Jūs tikrai norite elektros sistemos, kuri veiktų bet kokiomis oro sąlygomis, net ir esant dulkių sistemai, o branduolinė energija gali tai užtikrinti.
Hernandez-Lugo taip pat atkreipė dėmesį, kad dabartinės NASA misijos į Marsą, pavyzdžiui, Mars 2020, naudoja abiejų saulės energijos derinį. galia sraigtasparniui „Ingenuity“ ir branduolinė energija „Perseverance rover“, kad atitiktų konkrečius misija.
„Šiuo metu agentūroje jie siekia patobulinti visas skirtingas energijos sistemas, kad jos būtų prieinamos tokiose misijose kaip Mėnulis ir Marsas“, – sakė ji. "Taigi yra vieta visoms elektros energijos sistemoms."
Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse - 10 dalių serija, kurioje nagrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą
Redaktorių rekomendacijos
- Kosmologinė kelionė į darbą ir atgal: sudėtinga logistika, kai žmonės iškeliauja į Marsą
- Variklio tobulinimas: kaip mes nukelsime žmones į Marsą
- Pilys iš smėlio: kaip sukursime buveines su Marso dirvožemiu
- Derliaus nuėmimas: kaip būsimieji naujakuriai kurs ir rinks vandenį Marse
- Astroagrikultūra: kaip auginsime pasėlius Marse
