Ārpuszemes enerģija: kā mēs radīsim enerģiju uz Marsa

Cilvēka klātbūtnes noteikšana uz Marsa radīs milzīgu izaicinājumu klāstu, no kuriem daudzi ir saistīti ar vienu būtisku prasību: jaudu. Neatkarīgi no tā, vai tas ir paredzēts radot skābekli, braucot ar roveriem, nodrošinot siltumu un gaismu vai sakarus, nākamajiem Marsa iedzīvotājiem būs nepieciešama pastāvīga elektrības padeve, lai viņi būtu drošībā un nodrošinātu misijas norisi.

Tomēr uz Marsa nav elektrotīkla, un pašreizējie risinājumi var mūs aizvest tikai tik tālu. Tātad, kāda izskatīsies pirmā ārpusplanētas spēkstacija? Mēs sazinājāmies ar diviem cilvēkiem, kas strādāja kosmosa energosistēmu visprogresīvākās jomās divās dažādās aģentūrās, lai noskaidrotu.

Šis raksts ir daļa no Dzīve uz Marsa — 10 daļu sērija, kas pēta visprogresīvākās zinātnes un tehnoloģijas, kas ļaus cilvēkiem ieņemt Marsu

Kodolreaktori kosmosā

NASA nākotnes elektroenerģijas ražošanas plānos ietilpst kodola skaldīšanas sistēmas, kurās urāna atomi tiek sadalīti reaktorā, lai radītu siltumu. Salīdzinājumā ar radioizotopu sistēmām (RTG), ko izmanto roveriem, piemēram, Perseverance, skaldīšanas sistēmas var

ražot vairāk jaudas joprojām paliekot pie maza izmēra.

2018. gada martā aģentūras projekts Kilopower demonstrēja skaldīšanas eksperimentu, kas spēj saražot 1 kilovatu jaudu, ko varētu izmantot par pamatu nākotnes kosmosa reaktoriem. Eksperimentu, kas nosaukts par KRUSTY pēc Kilopower reaktora, izmantojot Stirlinga tehnoloģiju, darbināja urāna-235 kodols, kas NASA aprakstīja kā "apmēram papīra dvieļu ruļļa lielumā". Tas radīja siltumu, kas pēc tam tika pārveidots par elektrību, izmantojot mehānismu, ko sauc par Stirlinga dzinēju.

Nākotnes skaldīšanas virsmas energosistēma būs maza un viegla, un tā varētu darboties vismaz 10 gadus. Tas padara šo koncepciju ideālu nākotnes misijām uz Mēnesi un galu galā uz Marsu.

Pagājušajā gadā NASA kopā ar Enerģētikas departamentu uzaicināja nozares idejas par 10 kilovatu sistēmu. Četras vai piecas šādas vienības varētu darbināt Marsa dzīvotni ar visu ar to saistīto, piemēram, skābekļa ražošanu raķetēm. propelentu, kā arī trīs līdz četru astronautu vajadzību apmierināšanai, kam, kā lēsts, kopumā būs nepieciešams apm. 40 kilovati.

Dionne Ernandesa-Lugo bija Kilopower projektu vadītāja un tagad ir NASA skaldīšanas virsmas enerģijas projektu vadītāja vietniece. Mēness tehnoloģiju demonstrācija, un viņa pastāstīja Digital Trends, ka viņi plāno pārbaudīt pirmo vienību uz Mēness tuvākajā laikā. desmitgade.

"Ideja ir vispirms demonstrēt sistēmu uz Mēness programmas Artemis ietvaros," viņa teica. “Mūsu projekts paredz izstrādāt 10 kilovatu sistēmu un veikt pirmo demonstrāciju uz Mēness. Tas mums palīdzētu izprast sistēmu. Pēc tam varētu veikt visas nepieciešamās konstrukcijas modifikācijas, un to varētu izmantot turpmākajās misijās uz Marsu.

Pirmā izmēģinājuma uz Mēness plāns paredz, ka spēka agregāts paliek Mēness nolaišanās aparātā. Iekārtas atstāšana nolaižamajā "palīdz atvieglot sistēmas darbību, nevis uzņemt papildu masu, kas ļautu noņemt," viņa paskaidroja. Tieši pie tā strādā viņas komanda. Taču viņi arī cer redzēt nozares idejas par to, kā varētu darboties arī noņemama sistēma. "Šobrīd mūsu grupā ir doma atstāt sistēmu nolaižamajā ierīcē," viņa teica. "Taču tur ir daudz inovāciju, un šobrīd mēs meklējam šīs inovācijas no nozares, lai redzētu citas iespējas."

Iekšējā NASA pētījumā tika lēsts, ka katra 10 kilovatu vienība būs aptuveni sešus metrus (19,6 pēdas) gara un vairāk nekā divus metrus (6,5 pēdas) plata, lai gan precīza informācija būs atkarīga no galīgā dizaina. NASA izveidotajā koncepcijas attēlā (iepriekš) redzamas četras šādas vienības, kas savienotas kopā uz Marsa virsmas, lai nodrošinātu tur esošo bāzi, lai jūs varētu iedomāties, kā varētu izskatīties Marsa spēkstacija.

Kodolenerģijas drošība

Viens no faktoriem, par ko cilvēki mēdz uztraukties, kad runa ir par kodolenerģijas izmantošanu uz Zemes, ir drošība, un tas attiecas arī uz kosmosa misijām. Atomenerģijas reaktoros izmantotie radioaktīvie elementi, piemēram, Kilopower demonstrācijā izmantotais urāns, izdala cilvēkiem bīstamu starojumu, kas var izraisīt arī problēmas ar tuvumā esošo elektronisko iekārtas.

Lai nodrošinātu gan cilvēku, gan elektronikas drošību, skaldīšanas energosistēmas ieskauj biezs metāla vairogs, kas satur starojumu. Jebkura jauna Marsa misijas energosistēma tiks plaši pārbaudīta uz Zemes, lai pārliecinātos par to bija drošs pat ekstremālos apstākļos, piemēram, darbības pārbaude, vakuuma pārbaude un vibrācijas testēšana.

Ernandess-Lugo norādīja, ka NASA jau iepriekš ir uzsākusi vairāk nekā 20 misijas, kurās izmantoja dažāda veida kodolenerģijas sistēmas, “tāpēc NASA ir zināšanas un pieredze kodolenerģijas sistēmu palaišanā gan uz Mēnesi, gan Marss."

Pastāv arī bažas par augsti bagātināta urāna izmantošanu energosistēmās, ko izmantoja Kilopower demonstrācija. Šo materiālu var izmantot arī kodolieroču izgatavošanai, tātad daži politiskie līderi ir noraizējušies ka tā izmantošana kosmosa projektos varētu veicināt tā izplatību uz Zemes.

Lai risinātu šīs bažas, nākotnes virsmas skaldīšanas sistēmās tā vietā varētu izmantot zemu bagātinātu urānu, ko parasti izmanto elektroenerģijas reaktoros uz Zemes un kas nav piemērots ieročiem. “Zembagātināta urāna konstrukcijas ir ļoti pievilcīgas no samazināta regulējuma viedokļa un atbilstība jaunākajām nacionālās kosmosa kodolpolitikas direktīvām,” turpinājumā rakstīja Hernandess-Lugo e-pasts. "Augsti bagātināta urāna izmantošana joprojām ir iespējama, ja misijai ir dominējoša vajadzība."

The jaunākā kosmosa politikas direktīva, ko Baltais nams izlaida pagājušā gada decembrī, ļauj izmantot tikai augsti bagātinātu urānu ja to apstiprina dažādas valdības struktūras un var pierādīt, ka tas ir vienīgais veids, kā aizpildīt a misija.

Enerģija no saules

Tomēr kodolenerģija nav vienīgā elektroenerģijas ražošanas iespēja: viena no visizplatītākajām enerģijas iespējām, ko pašlaik izmanto kosmosa misijās, ir saules enerģija. Eiropas Kosmosa aģentūra (ESA) izmanto saules enerģiju praktiski visās savās misijās, un tās gaidāmais Marsa roveris ar nosaukumu Rosalind Franklin arī darbosies ar saules enerģiju.

Leopolds Samerers, ESA Advanced Concepts Team vadītājs, pastāstīja pētnieki, kas izstrādā jaunas tehnoloģijas kosmosa misijām. Digitālās tendences e-pastā, ka saules enerģijai ir priekšrocības salīdzinājumā ar kodolenerģiju, jo tai nav nepieciešama papildu drošība pasākumiem. Viņš arī norādīja, ka plaša saules enerģijas tehnoloģiju izmantošana uz Zemes nozīmē pastāvīgu attīstību, ko var izmantot kosmosā Misijas: "Saules enerģija ir strauji attīstoša tehnoloģija, kas piedāvā vienkāršu lietošanu, piekļuvi un augstu gatavību papildus tam, ka tā ir pilnībā atjaunojama," viņš teica.

Šis straujais attīstības temps nozīmē, ka inženieri izstrādā paneļus, no kuriem var ražot vēl vairāk elektroenerģijas tikpat daudz saules gaismas, un Samerers sagaida, ka nākotnes saules sistēmas turpinās iegūt vairāk efektīvs.

"Kosmosā efektivitāte ir vēl svarīgāka nekā uz zemes, un mēs pastāvīgi virzām uz to, kas ir tehniski iespējams," sacīja Samerers. Salīdzinoši neliels saules bateriju efektivitātes un masas pieaugums var būtiski mainīt saules sistēmu kopējās izmaksas, jo īpaši mazākiem kuģiem, piemēram, satelītiem.

Taču, tāpat kā visām tehnoloģijām, saules enerģijas izmantošanai ir ierobežojumi. "Tam ir trūkums, jo tas ir atkarīgs no ārēja avota, saules, un visi ar to saistītie trūkumi," sacīja Samerers. Daudzās situācijās saules enerģija ir tikai periodiska. Uz planētas ar dienas un nakts ciklu akumulatorus var izmantot, lai dienas laikā uzglabātu lieko enerģiju un turpinātu to piegādāt naktī. Taču tas energosistēmai pievieno vēl vienu apjomīgu elementu, kā arī papildu sarežģītības pakāpi.

Viens futūristisks risinājums šai problēmai, kas tiek apsvērts, ir attīstība riņķojošās saules elektrostacijas, kas varētu darboties tandēmā ar saules enerģijas paneļiem uz virsmas, lai savāktu enerģiju no saules un bezvadu režīmā raidītu to uz virsmu. ESA pašlaik ir jēdzienu meklēšana lai šī ideja kļūtu par realitāti.

Saules gaisma uz Marsa

Tomēr, ja runa ir par Marsu, saules enerģijas izmantošanai ir dažas problēmas. Tā kā tā atrodas tālāk no saules nekā Zeme, planētas virsmu sasniedz mazāk saules gaismas. Tas nozīmē, ka pētniekiem uz Marsa būs pieeja apmēram pusei no Saules starojuma, kas viņiem būtu uz Zemes.

Tas nenozīmē, ka uz Marsa nav iespējams izmantot saules enerģiju, tikai to, ka misijām ir jābūt ļoti uzmanīgiem ar enerģijas patēriņu. NASA iepriekšējās paaudzes Marsa roveros Spirit un Opportunity izmantoja saules enerģiju, kā arī pašreizējās orbītas, piemēram, Mars Express un Mars Orbiter Mission, darbojas arī ar saules enerģiju.

Tomēr uz Marsa ir vēl viena problēma: Putekļu vētras. Marsam ir sarežģīta laikapstākļu sistēma, kas dažkārt izraisa milzīgas globālas putekļu vētras, kas īslaicīgi bloķē lielu daļu saules gaismas un putekļu slānī pārklāj praktiski visu uz planētas, tostarp saules enerģiju paneļi. Tas izraisīja neticami ilgu mūžu Opportunity rovera aptumšošanos, kad 2018. gadā pāri planētai noripoja milzīga putekļu vētra.

Samerers domā, ka, apvienojot virszemes un orbitālās saules elektrostacijas, jūs, iespējams, varētu radīt pietiekami daudz enerģijas cilvēka dzīvotnei. Bet viņš arī atzina, ka ir vērtīga saules enerģijas apvienošana ar citiem enerģijas avotiem, piemēram, kodolenerģiju. "Saules enerģija uz virsmas un galu galā papildināta no orbītas var nodrošināt pietiekami daudz enerģijas cilvēku dzīvotnēm uz Marsa, taču, kā liecina jaunākie roveri, kā Neatlaidība, kas tikko piezemējās, dažreiz mazi kodolenerģijas avoti nodrošina tik lielas konkurences priekšrocības, ka es ceru, ka arī tiem būs sava nozīme. rakstīja.

Pareizā barošanas avota izvēle misijai

Ernandess-Lugo piekrita, ka Marsa misijai ir potenciāla vērtība visu veidu energosistēmām, tostarp saules enerģijai, baterijām un kodolenerģijai. "Energosistēma būs atkarīga no konkrētās misijas," viņa teica. NASA Glennas pētniecības centrs, kurā viņa strādā, ir NASA enerģijas attīstības centrs un veic plašu izpēti dažādas jaudas iespējas, tostarp baterijas, saules baterijas, radio izotopu sistēmas, skaldīšanas enerģijas sistēmas un reģeneratīvo degvielu šūnas. Galvenais ir izvēlēties pareizo enerģijas avotu misijas vajadzībām, pamatojoties uz pieejamajiem resursiem.

Kodolsistēmai ir atšķirīgas priekšrocības cilvēku uzturēšanās misijās. Pirmkārt, ja vēlaties izveidot energosistēmu lietošanai gan uz Mēness, gan uz Marsa, kā to dara NASA, jums jātiek galā ar divu nedēļu ilgu tumsas periodu uz Mēness.

"Kad sākat domāt par to, kā izveidot misijas arhitektūru, kas ļauj jums iegūt pastāvīgu jaudu, tad kodolenerģija tiek izmantota," viņa teica. "Tā kā jums ir nepieciešama uzticama sistēma, kas nodrošinās jums nepārtrauktu jaudu šo nakts darbību laikā."

Marsam ir svarīga arī nepārtraukta enerģijas ražošana, jo īpaši tur dzīvojošo astronautu drošībai. Jūs noteikti vēlaties energosistēmu, kas turpinās darboties jebkuros laika apstākļos, pat putekļu sistēmas laikā, un kodolenerģija to var nodrošināt.

Hernandez-Lugo arī norādīja, ka pašreizējās NASA misijās uz Marsu, piemēram, Mars 2020, tiek izmantota abu saules enerģijas kombinācija. jauda Ingenuity helikopteram un kodolenerģija Perseverance roveram, lai atbilstu konkrētajām vajadzībām misija.

"Šobrīd aģentūrā viņi cenšas uzlabot visas dažādās energosistēmas, lai tās būtu pieejamas tādās misijās kā Mēness un Marss," viņa sacīja. "Tātad ir vieta visām energosistēmām."

Šis raksts ir daļa no Dzīve uz Marsa — 10 daļu sērija, kas pēta visprogresīvākās zinātnes un tehnoloģijas, kas ļaus cilvēkiem ieņemt Marsu

Redaktoru ieteikumi

• Kosmoloģiska pārvietošanās: sarežģītā loģistika cilvēku nosūtīšanai uz Marsa
• Piedziņas pilnveidošana: kā mēs nogādāsim cilvēkus uz Marsu
• Pilis no smiltīm: kā mēs veidosim biotopus ar Marsa augsni
• Hidratācijas novākšana: kā topošie kolonisti radīs un savāks ūdeni uz Marsa
• Astrolauksaimniecība: kā mēs audzēsim labību uz Marsa