Buitenaardse energie: hoe we energie op Mars zullen genereren

Het opzetten van een menselijke aanwezigheid op Mars zal een groot aantal uitdagingen met zich meebrengen, waarvan er vele verband houden met één essentiële vereiste: macht. Of het nu voor zuurstof creëren, het besturen van rovers, het leveren van warmte en licht, of communicatie, toekomstige bewoners van Mars zullen een constante toevoer van elektriciteit nodig hebben om hen veilig te houden en de missie draaiende te houden.

Er is echter geen elektriciteitsnet op Mars en de huidige oplossingen kunnen ons slechts tot nu toe brengen. Hoe zal de eerste elektriciteitscentrale buiten de planeet eruitzien? We hebben contact opgenomen met twee mensen die werkzaam zijn op het gebied van ruimtevaartsystemen bij twee verschillende agentschappen om daar achter te komen.

Dit artikel maakt deel uit van Leven op Mars – een tiendelige serie die de baanbrekende wetenschap en technologie onderzoekt die mensen in staat zullen stellen Mars te bezetten

Kernreactoren in de ruimte

De plannen van NASA voor de toekomst van de 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 gebruiken, kunnen splijtingssystemen meer kracht produceren terwijl het toch een klein formaat blijft.

In maart 2018 demonstreerde het Kilopower-project van het agentschap een splijtingsexperiment dat 1 kilowatt aan energie kon produceren, wat 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 rol keukenpapier.” Deze genereerde warmte, die vervolgens werd omgezet in elektriciteit via een mechanisme dat een Stirlingmotor wordt genoemd.

Een toekomstig kernsplijtingssysteem zal klein en licht van gewicht zijn en minstens tien jaar meegaan. 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 de industrie uit voor een systeem van 10 kilowatt. Vier of vijf van dergelijke eenheden zouden een Mars-habitat van stroom kunnen voorzien, met alles wat dat met zich meebrengt, zoals de productie van zuurstof voor raketten drijfgas en voldoet aan de behoeften van drie tot vier astronauten, waarvoor naar schatting in totaal ongeveer ongeveer nodig is 40 kilowatt.

Dionne Hernandez-Lugo was de projectmanager voor Kilopower en is nu plaatsvervangend projectmanager voor NASA's kernsplijtingsoppervlaktekracht demonstratie van maantechnologie, en ze vertelde Digital Trends dat ze van plan zijn de eerste eenheid op de maan in de volgende te testen decennium.

“Het idee is om het systeem eerst op de maan te demonstreren als onderdeel van het Artemis-programma”, zei ze. “Ons project beoogt de ontwikkeling 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 benodigde ontwerpwijzigingen worden aangebracht en kon het worden gebruikt bij toekomstige missies naar Mars.

Het plan voor de eerste test op de maan is dat de krachtbron binnen de maanlander blijft. Het achterlaten van de eenheid in de lander “helpt bij het eenvoudiger bedienen van het systeem in plaats van de extra massa op te nemen die verwijdering mogelijk zou maken”, legde ze uit. Dat is waar haar team aan werkt. Maar ze hopen ook op ideeën uit de industrie over hoe een verwijderbaar systeem ook zou kunnen werken. “Op dit moment is het binnen onze groep de bedoeling om het systeem binnen de lander te laten”, zei ze. "Maar er zijn veel innovaties beschikbaar, en op dit moment zijn we op zoek naar die innovaties uit de industrie om andere opties te zien die ze zouden hebben."

Een interne NASA-studie schatte dat elke eenheid van 10 kilowatt ongeveer zes meter hoog en ruim 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 zijn verbonden op het oppervlak van Mars om een ​​basis daar van stroom te voorzien, zodat je je kunt voorstellen hoe een energiecentrale op Mars eruit zou kunnen zien.

De veiligheid van kernenergie

Eén factor waar mensen zich 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, geven straling af die gevaarlijk is voor mensen en die ook problemen kan veroorzaken met elektronische apparatuur in de buurt apparatuur.

Om zowel mensen als elektronica te beschermen, zijn splijtingsenergiesystemen omgeven door dikke metalen afschermingen die de straling tegenhouden. Elk nieuw energiesysteem voor een Mars-missie zou uitvoerig op aarde worden getest om er zeker van te zijn dat het werkt was veilig, zelfs onder extreme omstandigheden, zoals operationele tests, vacuümtests en trillingstests testen.

Hernandez-Lugo wees erop dat NASA in het verleden al meer dan twintig missies heeft gelanceerd waarbij gebruik werd gemaakt van verschillende soorten kernenergiesystemen, “Dus NASA heeft expertise en achtergrond in het lanceren van kernenergiesystemen naar de maan en Mars."

Er bestaat ook bezorgdheid over het gebruik van hoogverrijkt uranium in energiesystemen, waar de Kilopower-demonstratie gebruik van maakte. 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 bevorderen.

Om deze zorgen weg te nemen, zouden toekomstige oppervlaktesplijtingssystemen in plaats daarvan laagverrijkt uranium kunnen gebruiken, dat vaak wordt gebruikt in krachtreactoren op aarde en niet geschikt is voor wapens. “Ontwerpen met laag verrijkt uranium zijn zeer aantrekkelijk vanuit het perspectief van verminderde regelgeving naleving van recente nationale richtlijnen voor het nucleaire ruimtevaartbeleid”, schreef Hernandez-Lugo in een vervolg e-mail. “Het gebruik van hoogverrijkt uranium is nog steeds mogelijk als de missie een overheersende behoefte heeft.”

De nieuwste ruimtebeleidsrichtlijn, dat in december vorig jaar door het Witte Huis werd vrijgegeven, staat alleen het gebruik van hoogverrijkt uranium toe als het is goedgekeurd door verschillende overheidsinstanties en kan worden aangetoond dat dit de enige manier is om een missie.

Energie uit de zon

Kernenergie is echter niet de enige optie voor energieopwekking: een van de meest voorkomende energieopties die momenteel voor ruimtemissies wordt gebruikt, is zonne-energie. De European Space Agency (ESA) gebruikt zonne-energie voor vrijwel al zijn missies, en de aankomende Mars-rover, de Rosalind Franklin genaamd, zal ook op zonne-energie werken.

Leopold Summerer, hoofd van het Advanced Concepts Team bij ESA, dat onderzoekers opkomende technologieën voor ruimtemissies onderzoekt, vertelt Digitale trends in een e-mail dat zonne-energie een voordeel heeft ten opzichte van kernenergie omdat er geen extra veiligheid voor nodig is maatregelen. Hij wees er ook op dat uitgebreid gebruik van zonne-energietechnologie op aarde constante ontwikkelingen betekent die in de ruimte kunnen worden toegepast missies: “Zonne-energie is een snel evoluerende technologie die gemakkelijk te gebruiken, toegankelijk en volwassen is en bovendien volledig hernieuwbaar is”, zegt hij gezegd.

Deze snelle ontwikkeling betekent dat ingenieurs panelen ontwerpen waarmee nog meer elektriciteit kan worden geproduceerd dezelfde hoeveelheid zonlicht, en Summerer verwacht dat toekomstige zonnestelsels nog meer zullen krijgen efficiënt.

“In de ruimte is efficiëntie nog belangrijker dan op de grond en we streven voortdurend naar wat technisch mogelijk is”, aldus Summerer. Relatief kleine stijgingen 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 bij 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 daarmee gepaard gaan”, zegt 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 energie op te slaan en deze 's nachts te blijven leveren. Maar dit voegt nog een omvangrijk element toe aan het machtssysteem, evenals een extra laag van complexiteit.

Een futuristische oplossing voor dit probleem die wordt overwogen, is de ontwikkeling van rond zonne-energiecentrales, die zou kunnen samenwerken met zonnepanelen op het oppervlak om energie van de zon te verzamelen en deze draadloos naar het oppervlak te stralen. ESA is momenteel concepten zoeken om dit idee werkelijkheid te maken.

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 er minder zonlicht het oppervlak van de planeet. Dat betekent dat ontdekkingsreizigers op Mars toegang zullen 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 energieverbruik. NASA's Mars-rovers van de vorige generatie, 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 mondiale stofstormen, die tijdelijk worden geblokkeerd een groot deel van het zonlicht en bedekt vrijwel alles op de planeet met een laag stof – inclusief zonne-energie panelen. Dat is de reden dat de ongelooflijk langlevende Opportunity-rover uiteindelijk donker werd, toen er in 2018 een enorme stofstorm over de planeet raasde.

Summerer denkt dat je door oppervlakte- en orbitale zonne-energiecentrales te combineren waarschijnlijk genoeg energie kunt opwekken voor een menselijke habitat. Maar hij erkende ook dat het waardevol is om zonne-energie te combineren met andere energiebronnen, zoals kernenergie. “Zonne-energie aan de oppervlakte en uiteindelijk aangevuld vanuit een baan om de aarde kan voldoende energie leveren voor menselijke leefgebieden op Mars, maar zoals aangetoond door de nieuwste rovers, zoals Omdat het doorzettingsvermogen net is geland, bieden kleine kernenergiebronnen soms zo’n groot concurrentievoordeel dat ik zou verwachten dat deze ook een rol zullen spelen”, zegt hij. schreef.

Het kiezen van de juiste krachtbron voor de missie

Hernandez-Lugo was het ermee eens dat er potentiële waarde zit in allerlei soorten energiesystemen voor een Mars-missie, inclusief zonne-energie, batterijen en kernenergie. “Het energiesysteem zal afhangen van de specifieke missie”, zei ze. Het Glenn Research Center van NASA, waar ze werkt, is het energieontwikkelingscentrum van NASA en doet onderzoek naar een groot aantal verscheidenheid aan energieopties, waaronder batterijen, zonnecellen, radio-isotoopsystemen, splijtingsenergiesystemen en regeneratieve brandstof cellen. De sleutel is om de juiste energiebron 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 dat zowel op de maan als op Mars kan worden gebruikt, zoals NASA doet, dan moet je omgaan met de twee weken durende perioden van duisternis op de maan.

“Als je begint na te denken over hoe je een missiearchitectuur ontwerpt die je in staat stelt om constante macht te hebben, dan komt kernenergie in het spel,” zei ze. “Omdat je een betrouwbaar systeem nodig hebt dat je tijdens nachtelijke operaties continu van stroom voorziet.”

Voor Mars is de continue opwekking van energie ook belangrijk, vooral voor de veiligheid van de astronauten die daar wonen. Je wilt absoluut een energiesysteem dat onder alle weersomstandigheden blijft werken, zelfs tijdens een stofsysteem, en kernenergie kan daarin voorzien.

Hernandez-Lugo wees er ook op dat de huidige NASA-missies naar Mars, zoals Mars 2020, een combinatie gebruiken van zowel zonne- 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 agentschap naar het bevorderen van alle verschillende energiesystemen, zodat ze beschikbaar zijn voor missies zoals de maan en Mars,” zei ze. “Er is dus plaats voor alle energiesystemen.”

Dit artikel maakt deel uit van Leven op Mars – een tiendelige serie die de baanbrekende wetenschap en technologie onderzoekt die mensen in staat zullen stellen Mars te bezetten

Aanbevelingen van de redactie

• Een kosmologisch woon-werkverkeer: de lastige logistiek van het plaatsen van mensen op Mars
• De voortstuwing perfectioneren: hoe we mensen naar Mars kunnen krijgen
• Kastelen gemaakt van zand: hoe we habitats zullen maken met Marsgrond
• Hydratatie oogsten: hoe toekomstige kolonisten water op Mars zullen creëren en verzamelen
• Astrolandbouw: hoe we gewassen op Mars zullen verbouwen