Utenomjordisk energi: Hvordan vi vil generere kraft på Mars

Å sette opp en menneskelig tilstedeværelse på Mars vil komme med et stort spekter av utfordringer, hvorav mange er knyttet til ett vesentlig krav: kraft. Enten det er for skaper oksygen, kjører rovere, sørger for varme og lys, eller kommunikasjon, vil fremtidige Mars-innbyggere trenge en konstant tilførsel av elektrisitet for å holde dem trygge og holde oppdraget i gang.

Det er imidlertid ikke noe strømnett på Mars, og nåværende løsninger kan bare ta oss så langt. Så hvordan vil det første off-planet kraftverket se ut? Vi kom i kontakt med to personer som jobber i forkant av romkraftsystemer i to forskjellige byråer for å finne ut av det.

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars — en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars

Atomreaktorer i verdensrommet

NASAs planer for fremtiden for kraftproduksjon inkluderer kjernefysiske fisjonssystemer, der uranatomer deles inne i en reaktor for å generere varme. Sammenlignet med radioisotopsystemene (RTGs) som driver rovere som Perseverance, kan fisjonssystemer

produsere mer kraft mens du fortsatt holder deg i en liten størrelse.

I mars 2018 demonstrerte byråets Kilopower-prosjekt et fisjonseksperiment som er i stand til å produsere 1 kilowatt kraft, som kan brukes som grunnlag for fremtidige romreaktorer. Eksperimentet, med kallenavnet KRUSTY etter Kilopower Reactor Using Stirling Technology, ble drevet av en kjerne av uran-235 som NASA beskrevet som "omtrent på størrelse med en papirhåndklerull." Dette genererte varme, som deretter ble omdannet til elektrisitet gjennom en mekanisme kalt en Stirling-motor.

Et fremtidig fisjonsoverflatekraftsystem vil være lite og lett og kan kjøre i minst 10 år. Det gjør konseptet ideelt for fremtidige oppdrag til månen og til slutt til Mars.

I fjor inviterte NASA, sammen med Department of Energy, ideer fra industrien for et 10-kilowatt-system. Fire eller fem slike enheter kan drive et Mars-habitat med alt det innebærer - som produksjon av oksygen til rakett drivmiddel samt dekke behovene til tre til fire astronauter, noe som anslås å kreve totalt ca. 40 kilowatt.

Dionne Hernandez-Lugo var prosjektleder for Kilopower og er nå nestleder prosjektleder for NASAs fisjonsoverflatekraft demonstrasjon av måneteknologi, og hun fortalte Digital Trends at de har til hensikt å teste den første enheten på månen innen neste tiår.

"Ideen er å demonstrere systemet først på månen som en del av Artemis-programmet," sa hun. "Prosjektet vårt ser på å utvikle et 10-kilowatt-system og gjøre den første demonstrasjonen på månen. Det vil hjelpe oss å forstå systemet.» Etter dette kan eventuelle nødvendige designmodifikasjoner gjøres, og det kan brukes i fremtidige oppdrag til Mars.

Planen for den første testen på månen er at kraftenheten skal holde seg innenfor månelanderen. Å la enheten stå i landeren "hjelper med enklere operasjoner av systemet i stedet for å ta den ekstra massen som ville tillate fjerning," forklarte hun. Det er det teamet hennes jobber med. Men de håper også å se ideer fra industrien om hvordan et flyttbart system også kan fungere. "Akkurat nå, innenfor gruppen vår, er ideen å la systemet være i landeren," sa hun. "Men det er mange innovasjoner der ute, og på dette tidspunktet søker vi disse innovasjonene fra industrien for å se andre alternativer de ville ha."

En intern NASA-studie estimerte at hver 10-kilowatt-enhet vil være rundt seks meter (19,6 fot) høy og over to meter (6,5 fot) bred, selv om de nøyaktige detaljene vil avhenge av den endelige utformingen. Et konseptbilde (over) produsert av NASA viser fire slike enheter koblet sammen på overflaten av Mars for å gi kraft til en base der, slik at du kan se for deg hvordan et kraftverk fra Mars kan se ut.

Atomkraftens sikkerhet

En faktor som folk har en tendens til å være opptatt av når det gjelder å bruke atomkraft på jorden er sikkerhet, og det gjelder også romfart. De radioaktive grunnstoffene som ble brukt i kjernekraftreaktorer, som uranet som ble brukt i Kilopower-demonstrasjonen, avgi stråling som er farlig for mennesker og som også kan gi problemer med nærliggende elektronisk utstyr.

For å holde både mennesker og elektronikk trygge, er fisjonskraftsystemer omgitt av tykk metallskjerming som inneholder strålingen. Ethvert nytt kraftsystem for et Mars-oppdrag vil bli satt gjennom omfattende testing på jorden for å sikre det var trygt selv under ekstreme forhold, for eksempel driftstesting, vakuumtesting og vibrasjon testing.

Hernandez-Lugo påpekte at NASA allerede har lansert over 20 oppdrag i det siste som brukte ulike typer atomkraftsystemer, "så NASA har ekspertise og bakgrunn i å lansere kjernekraftsystemer både til månen og Mars."

Det er også bekymring for bruken av høyt anriket uran i kraftsystemer, som er hva Kilopower-demonstrasjonen brukte. Dette materialet kan også brukes til å lage atomvåpen, så noen politiske ledere er bekymret at bruk av det i romprosjekter kan oppmuntre til spredning på jorden.

For å møte disse bekymringene, kan fremtidige overflatefisjonssystemer bruke lavanriket uran i stedet, som ofte brukes i kraftreaktorer på jorden og ikke er våpenkvalitet. "Designer med lavt anriket uran er veldig attraktive med tanke på redusert regulering og overholdelse av nylige nasjonale romatompolitiske direktiver», skrev Hernandez-Lugo i en oppfølging e-post. "Bruk av høyt anriket uran er fortsatt mulig hvis oppdraget har et rådende behov."

De siste rompolitiske direktivet, utgitt av Det hvite hus i desember i fjor, tillater kun bruk av høyt anriket uran hvis det er godkjent av forskjellige offentlige organer og det kan vises å være den eneste måten å fullføre en oppdrag.

Energi fra solen

Atomkraft er imidlertid ikke det eneste alternativet for kraftproduksjon: Et av de vanligste kraftalternativene som brukes til romoppdrag akkurat nå er solenergi. European Space Agency (ESA) bruker solenergi til praktisk talt alle sine oppdrag, og dens kommende Mars-rover, kalt Rosalind Franklin, vil også være solcelledrevet.

Leopold Summerer, leder for Advanced Concepts Team ved ESA, som forsker fremvoksende teknologier for romfart, fortalte Digitale trender i en e-post om at solenergi har en fordel fremfor kjernekraft ved at den ikke trenger ekstra sikkerhet målinger. Han påpekte også at utstrakt bruk av solenergiteknologi på jorden betyr konstant utvikling som kan brukes i verdensrommet oppdrag: "Solkraft er en teknologi i rask utvikling som tilbyr enkel bruk, tilgang og høy modenhet i tillegg til å være fullt fornybar," han sa.

Denne raske utviklingstakten betyr at ingeniører designer paneler som kan produsere enda mer strøm fra samme mengde sollys, og Summerer forventer at fremtidige solsystemer vil fortsette å få mer effektiv.

"I verdensrommet er effektivitet enda viktigere enn på bakken, og vi presser hele tiden på det som er teknisk mulig," sa Summerer. Relativt små økninger i effektiviteten og massen til solceller kan utgjøre en stor forskjell i de totale kostnadene for solsystemer, spesielt for mindre fartøyer som satellitter.

Men som alle teknologier er det begrensninger på bruken av solenergi. "Det har ulempen av å være avhengig av en ekstern kilde, solen og alle ulempene som følger med det," sa Summerer. I mange situasjoner er strøm fra solen bare intermitterende. På en planet med dag- og nattsyklus kan batterier brukes til å lagre overflødig strøm i løpet av dagen og fortsette å forsyne den om natten. Men dette legger til et annet klumpete element til kraftsystemet samt et ekstra lag med kompleksitet.

En futuristisk løsning på dette problemet som vurderes er utviklingen av kretsende solkraftverk, som kan fungere sammen med solcellepaneler på overflaten for å samle energi fra solen og sende den trådløst ned til overflaten. ESA er for tiden søker konsepter å gjøre denne ideen til virkelighet.

Sollyset på Mars

Når det kommer til Mars spesifikt, er det imidlertid noen utfordringer med å bruke solenergi. Siden den er lenger unna solen enn jorden er, når mindre sollys planetens overflate. Det betyr at oppdagere på Mars vil ha tilgang til rundt halvparten av solinnstrålingen som de ville ha på jorden.

Det betyr ikke at det er umulig å bruke solenergi på Mars, bare at oppdrag må være veldig forsiktige med strømforbruket. NASAs forrige generasjon Mars-rovere, Spirit and Opportunity, brukte solenergi, og nåværende orbitere som Mars Express og Mars Orbiter Mission er også solcelledrevne.

Det er imidlertid et annet problem på Mars: Støvstormer. Mars har et komplekst værsystem som av og til resulterer i massive globale støvstormer, som midlertidig blokkerer ut mye av solens lys og dekker praktisk talt alt på planeten i et lag med støv – inkludert solenergi paneler. Det var det som førte til at den utrolig langlivede Opportunity-roveren til slutt ble mørk, da en massiv støvstorm rullet over planeten i 2018.

Summerer mener at ved å kombinere overflate- og orbitale solkraftverk, kan du sannsynligvis generere nok strøm til et menneskelig habitat. Men han erkjente også at det er verdi i å kombinere solenergi med andre kraftkilder som kjernekraft. "Solkraft på overflaten og til slutt supplert fra bane kan gi nok kraft til menneskelige habitater på Mars, men som demonstrert av de siste rovere, f.eks. Som utholdenhet som nettopp har landet, gir noen ganger små atomkraftkilder et så stort konkurransefortrinn at jeg forventer at disse også spiller en rolle,» skrev.

Å velge riktig strømkilde for oppdraget

Hernandez-Lugo var enig i at det er potensiell verdi i alle slags kraftsystemer for et Mars-oppdrag, inkludert solenergi, batterier og atomkraft. "Kraftsystemet kommer til å avhenge av det spesifikke oppdraget," sa hun. NASAs Glenn Research Center, hvor hun jobber, er kraftutviklingssenteret for NASA og forsker på et bredt rekke kraftalternativer, inkludert batterier, solceller, radioisotopsystemer, fisjonskraftsystemer og regenerativt drivstoff celler. Nøkkelen er å velge riktig strømkilde for oppdragets behov, basert på ressursene som er tilgjengelige.

Det er klare fordeler med et kjernefysisk system for menneskelig boligoppdrag. For det første, når du vil designe et kraftsystem for bruk både på månen og på Mars, slik NASA gjør, må du forholde deg til de to uker lange periodene med mørke på månen.

"Når du begynner å tenke på hvordan du designer en oppdragsarkitektur som lar deg ha konstant kraft, så er det da kjernekraft kommer inn i bildet," sa hun. "Fordi du trenger et pålitelig system som vil gi deg kontinuerlig kraft under disse nattoperasjonene."

For Mars er kontinuerlig generering av kraft også viktig, spesielt for sikkerheten til astronauter som bor der. Du vil definitivt ha et kraftsystem som vil fortsette å fungere under alle værforhold, selv under et støvsystem, og kjernekraft kan gi det.

Hernandez-Lugo påpekte også at nåværende NASA-oppdrag til Mars, som Mars 2020, bruker en kombinasjon av både solenergi kraft for Ingenuity-helikopteret og atomkraft for Perseverance-roveren, for å passe de spesielle behovene til oppdrag.

"På dette tidspunktet, i byrået, ser de på å fremme alle forskjellige kraftsystemer for å ha dem tilgjengelige på oppdrag som månen og Mars," sa hun. "Så det er et sted for alle kraftsystemer."

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars — en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars

Redaktørenes anbefalinger

• En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistikken ved å sette mennesker på Mars
• Perfeksjonerende fremdrift: Hvordan vi får mennesker til Mars
• Slott laget av sand: Hvordan vi lager habitater med jord fra mars
• Høsting av hydrering: Hvordan fremtidige nybyggere vil skape og samle vann på Mars
• Astroagriculture: Hvordan vi skal dyrke avlinger på Mars