Het opzetten van een menselijke aanwezigheid op Mars brengt een enorm scala aan uitdagingen met zich mee, waarvan vele verband houden met één essentiële vereiste: kracht. Of het nu voor is zuurstof creëren, het besturen van rovers, het leveren van warmte en licht, of communicatie, toekomstige Marsbewoners zullen een constante toevoer van elektriciteit nodig hebben om ze veilig te houden en de missie draaiende te houden.
Inhoud
- Kernreactoren in de ruimte
- De veiligheid van kernenergie
- Energie van de zon
- Het zonlicht op Mars
- De juiste krachtbron kiezen voor de missie
Er is echter geen elektriciteitsnet op Mars en de huidige oplossingen kunnen ons maar tot nu toe brengen. Dus hoe zal de eerste energiecentrale buiten de planeet eruit zien? We kwamen in contact met twee mensen die werken op het snijvlak van ruimte-energiesystemen in twee verschillende bureaus om erachter te komen.
Aanbevolen video's
Dit artikel is onderdeel van Leven op Mars - een 10-delige serie die de allernieuwste wetenschap en technologie verkent die mensen in staat zal stellen Mars te bezetten
Kernreactoren in de ruimte
NASA's plannen voor de toekomst van energieopwekking omvatten kernsplijtingssystemen, waarbij uraniumatomen in een reactor worden gesplitst om warmte te genereren. Vergeleken met de radio-isotopensystemen (RTG's) die rovers zoals Perseverance aandrijven, kunnen splijtingssystemen meer kracht produceren terwijl je toch klein blijft.
In maart 2018 demonstreerde het Kilopower-project van het bureau een kernsplijtingsexperiment dat in staat was om 1 kilowatt aan stroom te produceren, dat zou kunnen worden gebruikt als basis voor toekomstige ruimtereactoren. Het experiment, bijgenaamd KRUSTY, naar de Kilopower Reactor met behulp van Stirling-technologie, werd aangedreven door een kern van uranium-235 die NASA beschreven als "ongeveer de grootte van een papieren handdoekrol." Deze genereerde warmte, die vervolgens werd omgezet in elektriciteit via een mechanisme dat een Stirling-motor wordt genoemd.
Een toekomstig oppervlakte-energiesysteem met kernsplijting zal klein en licht van gewicht zijn en minstens 10 jaar kunnen werken. Dat maakt het concept ideaal voor toekomstige missies naar de maan en uiteindelijk naar Mars.
Vorig jaar nodigde NASA, samen met het ministerie van Energie, ideeën uit van de industrie voor een systeem van 10 kilowatt. Vier of vijf van dergelijke eenheden zouden een Mars-habitat van stroom kunnen voorzien, met alle gevolgen van dien - zoals de productie van zuurstof voor raketten drijfgas en voldoen aan de behoeften van drie tot vier astronauten, waarvoor naar schatting in totaal ongeveer 40 kilowatt.
Dionne Hernandez-Lugo was de projectmanager voor Kilopower en is nu de plaatsvervangend projectmanager voor NASA's kernsplijting oppervlaktevermogen demonstratie van maantechnologie, en ze vertelde Digital Trends dat ze van plan zijn de eerste eenheid binnen de komende tijd op de maan te testen decennium.
"Het idee is om het systeem als eerste op de maan te demonstreren als onderdeel van het Artemis-programma", zei ze. “Ons project is gericht op het ontwikkelen van een systeem van 10 kilowatt en het doen van de eerste demonstratie op de maan. Dat zou ons helpen het systeem te begrijpen.” Hierna konden alle vereiste ontwerpwijzigingen worden aangebracht en zou het kunnen worden gebruikt in toekomstige missies naar Mars.
Het plan voor de eerste test op de maan is dat de krachtbron binnen de maanlander blijft. Door de eenheid in de lander te laten "helpt het systeem gemakkelijker te werken in plaats van de extra massa te nemen die verwijdering mogelijk zou maken", legde ze uit. Dat is waar haar team aan werkt. Maar ze hopen ook ideeën uit de industrie te zien over hoe een verwijderbaar systeem ook zou kunnen werken. "Op dit moment is het idee binnen onze groep om het systeem binnen de lander te laten", zei ze. "Maar er zijn veel innovaties en op dit moment zoeken we die innovaties bij de industrie om andere opties te zien die ze zouden hebben."
Een intern NASA-onderzoek schatte dat elke eenheid van 10 kilowatt ongeveer zes meter lang en meer dan twee meter breed zal zijn, hoewel de exacte details afhangen van het uiteindelijke ontwerp. Een conceptafbeelding (hierboven) geproduceerd door NASA toont vier van dergelijke eenheden die met elkaar verbonden zijn op het oppervlak van Mars om daar een basis van stroom te voorzien, zodat je je kunt voorstellen hoe een energiecentrale op Mars eruit zou kunnen zien.
De veiligheid van kernenergie
Een factor waar mensen zich vaak zorgen over maken als het gaat om het gebruik van kernenergie op aarde, is veiligheid, en dat geldt ook voor ruimtemissies. De radioactieve elementen die worden gebruikt in kernreactoren, zoals het uranium dat werd gebruikt bij de Kilopower-demonstratie, straling afgeven die gevaarlijk is voor mensen en die ook problemen kan veroorzaken met elektronica in de buurt apparatuur.
Om zowel mensen als elektronica veilig te houden, zijn splijtingsenergiesystemen omgeven door dikke metalen afscherming die de straling tegenhoudt. Elk nieuw energiesysteem voor een Mars-missie zou uitgebreid worden getest op aarde om er zeker van te zijn was veilig, zelfs onder extreme omstandigheden, zoals operationele testen, vacuümtesten en trillingen testen.
Hernandez-Lugo wees erop dat NASA in het verleden al meer dan 20 missies heeft gelanceerd waarbij verschillende soorten kernenergiesystemen, “dus NASA heeft expertise en achtergrond in het lanceren van kernenergiesystemen zowel naar de maan als naar de maan Mars."
Er is ook bezorgdheid over het gebruik van hoogverrijkt uranium in energiesystemen, dat is wat de Kilopower-demonstratie gebruikte. Dit materiaal kan ook worden gebruikt om kernwapens te maken, dus sommige politieke leiders maken zich zorgen dat het gebruik ervan in ruimteprojecten de verspreiding ervan op aarde zou kunnen stimuleren.
Om deze zorgen weg te nemen, zouden toekomstige oppervlaktesplijtingssystemen in plaats daarvan laagverrijkt uranium kunnen gebruiken, dat vaak wordt gebruikt in kernreactoren op aarde en niet geschikt is voor wapens. “Ontwerpen met laagverrijkt uranium zijn zeer aantrekkelijk vanuit het oogpunt van verminderde regelgeving en naleving van recente richtlijnen voor het nationale ruimtevaartbeleid”, schreef Hernandez-Lugo in een vervolg e-mailen. "Het gebruik van hoogverrijkt uranium is nog steeds mogelijk als de missie een heersende behoefte heeft."
De nieuwste richtlijn ruimtebeleid, uitgebracht door het Witte Huis in december vorig jaar, staat alleen het gebruik van hoogverrijkt uranium toe als het is goedgekeurd door verschillende overheidsinstanties en kan worden aangetoond dat het de enige manier is om a missie.
Energie van de zon
Kernenergie is echter niet de enige optie voor energieopwekking: een van de meest gebruikelijke stroomopties die momenteel voor ruimtemissies worden gebruikt, is zonne-energie. De European Space Agency (ESA) gebruikt zonne-energie voor vrijwel al zijn missies, en zijn aanstaande Mars-rover, de Rosalind Franklin genaamd, zal ook op zonne-energie werken.
"In de ruimte is efficiëntie nog belangrijker dan op de grond en we pushen constant wat technisch mogelijk is."
Leopold Summerer, hoofd van het Advanced Concepts Team bij ESA, dat opkomende technologieën voor ruimtemissies onderzoekt, vertelde Digital Trends in een e-mail dat zonne-energie een voordeel heeft ten opzichte van kernenergie omdat het geen extra veiligheid nodig heeft maatregelen. Hij wees er ook op dat uitgebreid gebruik van zonne-energietechnologie op aarde constante ontwikkelingen betekent die kunnen worden toegepast op de ruimte missies: "Zonne-energie is een snel evoluerende technologie die gemakkelijk in gebruik, toegang en hoge volwassenheid biedt, naast volledig hernieuwbaar te zijn," hij gezegd.
Dit snelle ontwikkelingstempo betekent dat ingenieurs panelen ontwerpen die nog meer elektriciteit kunnen opwekken dezelfde hoeveelheid zonlicht, en Summerer verwacht dat toekomstige zonnestelsels meer zullen krijgen efficiënt.
"In de ruimte is efficiëntie nog belangrijker dan op de grond en we pushen constant wat technisch mogelijk is", zei Summerer. Relatief kleine toenames in de efficiëntie en massa van zonnecellen kunnen een groot verschil maken in de totale kosten van zonnesystemen, vooral voor kleinere vaartuigen zoals satellieten.
Maar zoals alle technologieën zijn er beperkingen aan het gebruik van zonne-energie. "Het heeft het nadeel dat het afhankelijk is van een externe bron, de zon en alle nadelen die daarbij horen", zei Summerer. In veel situaties is de stroom van de zon slechts af en toe aanwezig. Op een planeet met een dag- en nachtcyclus kunnen batterijen worden gebruikt om overdag overtollige stroom op te slaan en 's nachts te blijven leveren. Maar dit voegt nog een omvangrijk element toe aan het energiesysteem, evenals een extra laag complexiteit.
Een futuristische oplossing voor dit probleem dat wordt overwogen, is de ontwikkeling van draaiende zonne-energiecentrales, die zou kunnen samenwerken met zonnepanelen op het oppervlak om energie van de zon op te vangen en draadloos naar het oppervlak te stralen. ESA is momenteel concepten zoeken om dit idee werkelijkheid te laten worden.
Het zonlicht op Mars
Als het echter specifiek om Mars gaat, zijn er enkele uitdagingen bij het gebruik van zonne-energie. Omdat het verder van de zon verwijderd is dan de aarde, bereikt minder zonlicht het oppervlak van de planeet. Dat betekent dat ontdekkingsreizigers op Mars toegang hebben tot ongeveer de helft van de zonnestraling die ze op aarde zouden hebben.
Dat betekent niet dat het gebruik van zonne-energie onmogelijk is op Mars, alleen dat missies heel voorzichtig moeten zijn met hun stroomverbruik. NASA's vorige generatie Mars-rovers, Spirit en Opportunity, gebruikten zonne-energie, en huidige orbiters zoals Mars Express en de Mars Orbiter Mission werken ook op zonne-energie.
Er is echter nog een ander probleem op Mars: Stof stormen. Mars heeft een complex weersysteem dat af en toe resulteert in enorme wereldwijde stofstormen, die tijdelijk worden geblokkeerd veel van het zonlicht en bedekt praktisch alles op de planeet met een laag stof - inclusief zonne-energie panelen. Dat is de reden waarom de ongelooflijk langlevende Opportunity-rover uiteindelijk donker werd, toen in 2018 een enorme stofstorm over de planeet rolde.
Summerer denkt dat je door oppervlakte- en orbitale zonne-energiecentrales te combineren waarschijnlijk genoeg energie kunt opwekken voor een menselijke leefomgeving. Maar hij erkende ook dat het waardevol is om zonne-energie te combineren met andere energiebronnen, zoals kernenergie. "Zonne-energie op het oppervlak en uiteindelijk aangevuld vanuit een baan om de aarde kan voldoende energie leveren voor menselijke habitats op Mars, maar zoals aangetoond door de nieuwste rovers, zoals als Perseverance die net is geland, leveren kleine kernenergiebronnen soms zo’n groot concurrentievoordeel op dat ik zou verwachten dat die ook een rol gaan spelen”, zegt hij. schreef.
De juiste krachtbron kiezen voor de missie
Hernandez-Lugo was het ermee eens dat er potentiële waarde zit in allerlei energiesystemen voor een Mars-missie, inclusief zonne-energie, batterijen en kernenergie. "Het energiesysteem zal afhangen van de specifieke missie", zei ze. NASA's Glenn Research Center, waar ze werkt, is het energieontwikkelingscentrum voor NASA en doet onderzoek naar een brede verscheidenheid aan stroomopties, waaronder batterijen, zonnecellen, radio-isotoopsystemen, splijtingsenergiesystemen en regeneratieve brandstof cellen. De sleutel is om de juiste krachtbron te kiezen voor de behoeften van de missie, op basis van de beschikbare middelen.
Er zijn duidelijke voordelen aan een nucleair systeem voor menselijke bewoningsmissies. Ten eerste, als je een energiesysteem wilt ontwerpen voor gebruik zowel op de maan als op Mars, zoals NASA doet, dan moet je rekening houden met de twee weken durende perioden van duisternis op de maan.
"Als je begint na te denken over hoe je een missiearchitectuur ontwerpt waarmee je constant vermogen hebt, dan komt atoomenergie in het spel", zei ze. "Omdat je een betrouwbaar systeem nodig hebt dat je continu stroom geeft tijdens die nachtelijke operaties."
Voor Mars is continue opwekking van stroom ook belangrijk, vooral voor de veiligheid van astronauten die daar wonen. U wilt absoluut een energiesysteem dat onder alle weersomstandigheden blijft werken, zelfs tijdens een stofsysteem, en kernenergie kan dat bieden.
Hernandez-Lugo wees er ook op dat de huidige NASA-missies naar Mars, zoals Mars 2020, een combinatie van zowel zonne-energie als kracht voor de Ingenuity-helikopter en kernenergie voor de Perseverance-rover, om te voldoen aan de specifieke behoeften van de missie.
"Op dit moment kijken ze binnen het bureau naar het bevorderen van alle verschillende energiesystemen om ze beschikbaar te hebben voor missies zoals de maan en Mars," zei ze. "Er is dus een plek voor alle energiesystemen."
Dit artikel is onderdeel van Leven op Mars - een 10-delige serie die de allernieuwste wetenschap en technologie verkent die mensen in staat zal stellen Mars te bezetten
Aanbevelingen van de redactie
- Een kosmologisch woon-werkverkeer: de lastige logistiek om mensen op Mars te zetten
- De voortstuwing perfectioneren: hoe we mensen naar Mars krijgen
- Kastelen gemaakt van zand: hoe we leefgebieden zullen maken met Marsgrond
- Hydratatie oogsten: hoe toekomstige kolonisten water op Mars zullen creëren en verzamelen
- Astrolandbouw: hoe we gewassen op Mars gaan verbouwen
