Ustanowienie obecności ludzi na Marsie będzie wiązało się z ogromną gamą wyzwań, z których wiele jest powiązanych z jednym podstawowym wymogiem: mocą. Czy to dla tworzenie tlenu, napędzając łaziki, dostarczając ciepło i światło lub komunikację, przyszli mieszkańcy Marsa będą potrzebować stałych dostaw energii elektrycznej, aby zapewnić im bezpieczeństwo i utrzymać ciągłość misji.
Zawartość
- Reaktory jądrowe w kosmosie
- Bezpieczeństwo energii jądrowej
- Energia ze słońca
- Światło słoneczne na Marsie
- Wybór odpowiedniego źródła zasilania dla misji
Na Marsie nie ma jednak sieci energetycznej, a obecne rozwiązania mogą nas zabrać tylko do tej pory. Jak więc będzie wyglądać pierwsza pozaplanetarna elektrownia? Skontaktowaliśmy się z dwiema osobami pracującymi nad najnowocześniejszymi systemami zasilania kosmicznego w dwóch różnych agencjach, aby się dowiedzieć.
Polecane filmy
Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie — 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które umożliwią ludziom okupację Marsa
Reaktory jądrowe w kosmosie
Plany NASA dotyczące przyszłości wytwarzania energii obejmują systemy rozszczepienia jądrowego, w których atomy uranu są rozdzielane wewnątrz reaktora w celu wytworzenia ciepła. W porównaniu z systemami radioizotopowymi (RTG), które napędzają łaziki takie jak Perseverance, systemy rozszczepienia mogą produkować więcej mocy jednocześnie pozostając w małym rozmiarze.
W marcu 2018 r. projekt agencji Kilopower zademonstrował eksperyment rozszczepienia zdolny do wytworzenia 1 kilowata mocy, który mógłby posłużyć jako podstawa dla przyszłych reaktorów kosmicznych. Eksperyment, nazwany KRUSTY na cześć reaktora kiloenergetycznego wykorzystującego technologię Stirlinga, był zasilany przez rdzeń z uranu-235, który opisał NASA jako „mniej więcej wielkości rolki ręcznika papierowego”. To wytwarzało ciepło, które następnie było przekształcane w energię elektryczną za pomocą mechanizmu zwanego silnikiem Stirlinga.
Przyszły system zasilania powierzchniowego rozszczepieniem będzie mały i lekki i może działać przez co najmniej 10 lat. To sprawia, że koncepcja ta idealnie nadaje się do przyszłych misji na Księżyc, a ostatecznie na Marsa.
W zeszłym roku NASA wraz z Departamentem Energii zaprosiła przemysł do pomysłów na 10-kilowatowy system. Cztery lub pięć takich jednostek mogłoby zasilić marsjański habitat ze wszystkim, co się z tym wiąże – na przykład produkcją tlenu do rakiet paliwa, a także zaspokojenia potrzeb trzech do czterech astronautów, co szacuje się na łączną liczbę ok 40 kilowatów.
Dionne Hernandez-Lugo była kierownikiem projektu w firmie Kilopower, a obecnie jest zastępcą kierownika projektu ds. powierzchniowej energii rozszczepienia NASA demonstrację technologii księżycowej i powiedziała Digital Trends, że zamierzają przetestować pierwszą jednostkę na Księżycu w ciągu następnej dekada.
„Chodzi o to, aby najpierw zademonstrować system na Księżycu w ramach programu Artemis” – powiedziała. „Nasz projekt polega na opracowaniu 10-kilowatowego systemu i przeprowadzeniu pierwszej demonstracji na Księżycu. To pomogłoby nam zrozumieć system”. Następnie można było wprowadzić wszelkie wymagane modyfikacje projektu i można go było wykorzystać w przyszłych misjach na Marsa.
Plan pierwszego testu na Księżycu zakłada, że jednostka napędowa pozostanie w lądowniku księżycowym. Pozostawienie jednostki w lądowniku „pomaga w łatwiejszej obsłudze systemu, zamiast zabierać dodatkową masę, która pozwoliłaby na usunięcie” – wyjaśniła. Właśnie nad tym pracuje jej zespół. Ale mają również nadzieję, że zobaczą pomysły przemysłu na temat tego, jak system wymienny może również działać. „Obecnie w naszej grupie pomysł polega na pozostawieniu systemu w lądowniku” – powiedziała. „Ale istnieje wiele innowacji i obecnie szukamy tych innowacji w przemyśle, aby zobaczyć inne opcje, które mieliby”.
Wewnętrzne badanie NASA oszacowało, że każda 10-kilowatowa jednostka będzie miała około sześciu metrów (19,6 stopy) wysokości i ponad dwa metry (6,5 stopy) szerokości, chociaż dokładne szczegóły będą zależeć od ostatecznego projektu. Obraz koncepcyjny (powyżej) wyprodukowany przez NASA pokazuje cztery takie jednostki połączone ze sobą na powierzchni Marsa, aby zapewnić zasilanie tamtejszej bazy, dzięki czemu można sobie wyobrazić, jak mogłaby wyglądać marsjańska elektrownia.
Bezpieczeństwo energii jądrowej
Jednym z czynników, na który ludzie zwykle zwracają uwagę, jeśli chodzi o wykorzystanie energii jądrowej na Ziemi, jest bezpieczeństwo i dotyczy to również misji kosmicznych. Pierwiastki radioaktywne stosowane w reaktorach jądrowych, takie jak uran użyty w demonstracji Kilopower, wydzielają niebezpieczne dla ludzi promieniowanie, które może również powodować problemy z pobliskimi urządzeniami elektronicznymi sprzęt.
Aby zapewnić bezpieczeństwo zarówno ludziom, jak i elektronice, systemy energii rozszczepialnej są otoczone grubą metalową osłoną, która zatrzymuje promieniowanie. Każdy nowy system zasilania dla misji na Marsa zostałby poddany szeroko zakrojonym testom na Ziemi, aby się upewnić był bezpieczny nawet w ekstremalnych warunkach, takich jak testy operacyjne, testy próżniowe i wibracje testowanie.
Hernandez-Lugo zwrócił uwagę, że NASA uruchomiła już w przeszłości ponad 20 misji wykorzystujących różnego rodzaju systemów energii jądrowej, „tak więc NASA ma doświadczenie i doświadczenie w uruchamianiu systemów energii jądrowej zarówno na Księżyc, jak i na Ziemię Mars."
Istnieje również obawa dotycząca wykorzystania wysoko wzbogaconego uranu w systemach zasilania, co wykorzystano w demonstracji Kilopower. Materiał ten może być również wykorzystany do produkcji broni jądrowej, tzw niektórzy przywódcy polityczni są zaniepokojeni że użycie go w projektach kosmicznych może zachęcić do jego rozprzestrzeniania się na Ziemi.
Aby rozwiązać te problemy, przyszłe systemy rozszczepienia powierzchniowego mogłyby zamiast tego wykorzystywać nisko wzbogacony uran, który jest powszechnie stosowany w reaktorach energetycznych na Ziemi i nie nadaje się do broni. „Projekty nisko wzbogaconego uranu są bardzo atrakcyjne z punktu widzenia ograniczonej regulacji i zgodność z najnowszymi krajowymi dyrektywami dotyczącymi polityki jądrowej w przestrzeni kosmicznej” – napisał Hernandez-Lugo w uzupełnieniu e-mail. „Wykorzystanie wysoko wzbogaconego uranu jest nadal możliwe, jeśli misja ma nadrzędną potrzebę”.
The najnowsza dyrektywa w sprawie polityki kosmicznej, ogłoszona przez Biały Dom w grudniu ubiegłego roku, dopuszcza jedynie użycie wysoko wzbogaconego uranu jeśli jest zatwierdzony przez różne organy rządowe i można wykazać, że jest to jedyny sposób na ukończenie a misja.
Energia ze słońca
Energia jądrowa nie jest jednak jedyną opcją wytwarzania energii: jedną z najczęstszych opcji zasilania wykorzystywanych obecnie w misjach kosmicznych jest energia słoneczna. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) wykorzystuje energię słoneczną praktycznie we wszystkich swoich misjach, a nadchodzący łazik marsjański Rosalind Franklin również będzie zasilany energią słoneczną.
„W kosmosie wydajność jest jeszcze ważniejsza niż na ziemi, a my stale przesuwamy to, co jest technicznie możliwe”.
Leopold Summerer, szef zespołu zaawansowanych koncepcji w ESA, który zajmuje się badaniem nowych technologii dla misji kosmicznych, powiedział Digital Trends w e-mailu, że energia słoneczna ma przewagę nad energią jądrową, ponieważ nie potrzebuje dodatkowego bezpieczeństwa środki. Zwrócił też uwagę, że szerokie wykorzystanie technologii energii słonecznej na Ziemi oznacza ciągły rozwój, który można zastosować w kosmosie misje: „Energia słoneczna to szybko rozwijająca się technologia, która oferuje łatwe użytkowanie, dostęp i wysoką dojrzałość, a ponadto jest w pełni odnawialna” — powiedział powiedział.
To szybkie tempo rozwoju oznacza, że inżynierowie projektują panele, które mogą wytwarzać jeszcze więcej energii elektrycznej taką samą ilość światła słonecznego, a Summerer spodziewa się, że przyszłe układy słoneczne będą nadal otrzymywać więcej wydajny.
„W kosmosie wydajność jest jeszcze ważniejsza niż na ziemi, a my stale przesuwamy to, co jest technicznie możliwe” – powiedział Summerer. Stosunkowo niewielki wzrost wydajności i masy ogniw słonecznych może mieć duży wpływ na całkowity koszt systemów słonecznych, szczególnie w przypadku mniejszych statków, takich jak satelity.
Ale jak wszystkie technologie, istnieją ograniczenia w wykorzystaniu energii słonecznej. „Ma tę wadę, że jest zależny od zewnętrznego źródła, słońca i wszystkich wad, które się z tym wiążą” – powiedział Summerer. W wielu sytuacjach energia słoneczna jest tylko przerywana. Na planecie z cyklem dnia i nocy baterie mogą być używane do magazynowania nadmiaru energii w ciągu dnia i dostarczania jej w nocy. Ale to dodaje kolejny nieporęczny element do systemu zasilania, a także dodatkową warstwę złożoności.
Jednym z rozważanych futurystycznych rozwiązań tego problemu jest rozwój orbitujące elektrownie słoneczne, który mógłby współpracować z panelami słonecznymi na powierzchni, aby zbierać energię ze słońca i przesyłać ją bezprzewodowo na powierzchnię. ESA jest obecnie szukanie pojęć aby ten pomysł stał się rzeczywistością.
Światło słoneczne na Marsie
Jeśli chodzi konkretnie o Marsa, korzystanie z energii słonecznej wiąże się z pewnymi wyzwaniami. Ponieważ jest dalej od Słońca niż Ziemia, mniej światła słonecznego dociera do powierzchni planety. Oznacza to, że odkrywcy na Marsie będą mieli dostęp do około połowy promieniowania słonecznego, które mieliby na Ziemi.
Nie oznacza to, że korzystanie z energii słonecznej jest niemożliwe na Marsie, po prostu misje muszą bardzo uważać na zużycie energii. Poprzednia generacja łazików marsjańskich NASA, Spirit i Opportunity, wykorzystywała energię słoneczną, a obecne orbitery, takie jak Mars Express i Mars Orbiter Mission, również są zasilane energią słoneczną.
Jednak na Marsie jest inny problem: Burze piaskowe. Mars ma złożony system pogodowy, który od czasu do czasu powoduje potężne globalne burze piaskowe, które tymczasowo blokują znaczną część światła słonecznego i pokrywa praktycznie wszystko na planecie warstwą pyłu – w tym słoneczne panele. To właśnie spowodowało, że niezwykle długowieczny łazik Opportunity w końcu zgasł, gdy potężna burza piaskowa przetoczyła się przez planetę w 2018 roku.
Summerer uważa, że łącząc powierzchniowe i orbitalne elektrownie słoneczne, prawdopodobnie można wygenerować wystarczającą ilość energii dla ludzkiego siedliska. Ale przyznał również, że połączenie energii słonecznej z innymi źródłami energii, takimi jak energia jądrowa, ma wartość. „Energia słoneczna na powierzchni i ostatecznie uzupełniona z orbity może zapewnić wystarczającą moc dla siedlisk ludzkich na Marsie, ale jak wykazały najnowsze łaziki, takie jak jak Perseverance, który właśnie wylądował, czasami małe źródła energii jądrowej zapewniają tak dużą przewagę konkurencyjną, że spodziewałbym się, że one również odegrają pewną rolę” napisał.
Wybór odpowiedniego źródła zasilania dla misji
Hernandez-Lugo zgodził się, że istnieje potencjalna wartość wszelkiego rodzaju systemów zasilania dla misji na Marsa, w tym energii słonecznej, baterii i energii jądrowej. „System zasilania będzie zależał od konkretnej misji” – powiedziała. Glenn Research Center NASA, w którym pracuje, jest centrum rozwoju energii dla NASA i prowadzi badania w szerokim zakresie różnorodne opcje zasilania, w tym baterie, ogniwa słoneczne, systemy izotopów radiowych, systemy energii rozszczepienia i paliwo regeneracyjne komórki. Kluczem jest dobranie odpowiedniego źródła zasilania na potrzeby misji, w oparciu o dostępne zasoby.
Istnieją wyraźne zalety systemu nuklearnego dla misji związanych z zamieszkaniem ludzi. Po pierwsze, jeśli chcesz zaprojektować system zasilania do użytku zarówno na Księżycu, jak i na Marsie, tak jak robi to NASA, musisz poradzić sobie z dwutygodniowymi okresami ciemności na Księżycu.
„Kiedy zaczynasz myśleć o tym, jak zaprojektować architekturę misji, która pozwoli ci mieć stałą moc, wtedy do gry wchodzi energia jądrowa” – powiedziała. „Ponieważ potrzebujesz niezawodnego systemu, który zapewni ciągłą moc podczas nocnych operacji”.
Dla Marsa ciągłe wytwarzanie energii jest również ważne, zwłaszcza dla bezpieczeństwa żyjących tam astronautów. Na pewno potrzebujesz systemu zasilania, który będzie działał w każdych warunkach pogodowych, nawet podczas zapylenia, a energia jądrowa może to zapewnić.
Hernandez-Lugo zwrócił również uwagę, że obecne misje NASA na Marsa, takie jak Mars 2020, wykorzystują kombinację obu energię dla helikoptera Ingenuity i energię jądrową dla łazika Perseverance, aby sprostać szczególnym potrzebom misja.
„W tej chwili w agencji rozważa się ulepszenie wszystkich różnych systemów zasilania, aby były dostępne w misjach takich jak Księżyc i Mars” – powiedziała. „Jest więc miejsce dla wszystkich systemów zasilania”.
Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie — 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które umożliwią ludziom okupację Marsa
Zalecenia redaktorów
- Kosmologiczny dojazd: skomplikowana logistyka umieszczania ludzi na Marsie
- Udoskonalanie napędu: jak dowieziemy ludzi na Marsa
- Zamki z piasku: jak stworzymy siedliska z marsjańskiej gleby
- Zbieranie nawodnienia: jak przyszli osadnicy będą tworzyć i gromadzić wodę na Marsie
- Astrorolnictwo: Jak będziemy uprawiać rośliny na Marsie
