Zaplanowanie obecności człowieka na Marsie będzie wiązało się z szeregiem wyzwań, z których wiele będzie powiązanych z jednym zasadniczym wymaganiem: mocą. Czy to dla tworząc tlen, napędzając łaziki, zapewniając ciepło i światło czy komunikację, przyszli mieszkańcy Marsa będą potrzebować stałego zaopatrzenia w energię elektryczną, aby zapewnić im bezpieczeństwo i możliwość kontynuowania misji.
Zawartość
- Reaktory jądrowe w kosmosie
- Bezpieczeństwo energetyki 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 jedynie zaprowadzić tak daleko. Jak więc będzie wyglądać pierwsza elektrownia poza planetą? Aby się tego dowiedzieć, skontaktowaliśmy się z dwiema osobami pracującymi w najnowocześniejszych systemach zasilania kosmicznego w dwóch różnych agencjach.
Polecane filmy
Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie — 10-częściowa seria badająca najnowocześniejszą naukę i technologię, która umożliwi ludziom okupację Marsa
Reaktory jądrowe w kosmosie
Plany NASA dotyczące przyszłości wytwarzania energii obejmują systemy rozszczepienia jądrowego, w których atomy uranu są rozdzielane w reaktorze w celu wytworzenia ciepła. W porównaniu z systemami radioizotopowymi (RTG), które napędzają łaziki takie jak Perseverance, systemy rozszczepialne mogą wytworzyć większą moc zachowując jednocześnie niewielki rozmiar.
W marcu 2018 r. w ramach projektu Kilopower agencji zademonstrowano eksperyment rozszczepienia zdolny do wytworzenia 1 kilowata mocy, który mógłby zostać wykorzystany jako podstawa dla przyszłych reaktorów kosmicznych. Eksperyment, nazwany KRUSTY od reaktora Kilopower wykorzystującego technologię Stirlinga, był zasilany przez rdzeń z uranu-235, który NASA opisała jako „mniej więcej wielkości rolki ręcznika papierowego”. Wygenerowało to ciepło, które następnie zostało zamienione na energię elektryczną za pomocą mechanizmu zwanego silnikiem Stirlinga.
Przyszły system zasilania powierzchniowego wykorzystujący rozszczepienie będzie mały i lekki i będzie mógł 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 przedstawicieli przemysłu do stworzenia systemu o mocy 10 kilowatów. Cztery lub pięć takich jednostek mogłoby zasilić siedlisko marsjańskie i wszystko, co się z tym wiąże, na przykład produkcję tlenu do rakiet paliwa, a także zaspokojenie potrzeb trzech do czterech astronautów, co szacuje się, że łącznie potrzeba ok 40 kilowatów.
Dionne Hernandez-Lugo była kierownikiem projektu w Kilopower, a obecnie jest zastępcą kierownika projektu ds. energii powierzchniowej rozszczepienia w NASA demonstrację technologii księżycowej i powiedziała Digital Trends, że zamierzają przetestować pierwszą jednostkę na Księżycu w ciągu następnej dekada.
„Pomysł polega na tym, aby najpierw zademonstrować system na Księżycu w ramach programu Artemis” – powiedziała. „Nasz projekt zakłada opracowanie systemu o mocy 10 kilowatów i przeprowadzenie pierwszej demonstracji na Księżycu. Pomogłoby nam to zrozumieć system. Następnie można będzie wprowadzić wszelkie niezbędne modyfikacje projektu i wykorzystać go 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 umożliwiłaby usunięcie” – wyjaśniła. Właśnie nad tym pracuje jej zespół. Mają jednak także nadzieję, że zobaczą pomysły branży na temat tego, jak mógłby działać system wymienny. „Obecnie w naszej grupie pomysł jest taki, aby pozostawić system w lądowniku” – powiedziała. „Ale istnieje wiele innowacji i obecnie poszukujemy tych innowacji od przemysłu, aby zobaczyć inne dostępne opcje”.
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 zależały od ostatecznego projektu. Zdjęcie koncepcyjne (powyżej) wykonane przez NASA przedstawia cztery takie jednostki połączone ze sobą na powierzchni Marsa w celu zapewnienia zasilania tamtejszej bazy, dzięki czemu można sobie wyobrazić, jak mogłaby wyglądać marsjańska elektrownia.
Bezpieczeństwo energetyki jądrowej
Jednym z czynników, na który zwracają uwagę ludzie, 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 promieniowanie niebezpieczne dla ludzi, które może również powodować problemy z pobliskimi urządzeniami elektronicznymi sprzęt.
Aby zapewnić bezpieczeństwo zarówno ludziom, jak i elektronice, systemy zasilania rozszczepialnego są otoczone grubą metalową osłoną, która zatrzymuje promieniowanie. Każdy nowy system zasilania na potrzeby misji na Marsa zostanie 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 zwróciła uwagę, że NASA uruchomiła już w przeszłości ponad 20 misji, w których wykorzystano różnego rodzaju systemów energii jądrowej, „a zatem NASA ma wiedzę i doświadczenie w wysyłaniu systemów energii jądrowej zarówno na Księżyc, jak i na Księżyc Mars."
Istnieją również obawy związane ze stosowaniem wysoko wzbogaconego uranu w systemach elektroenergetycznych, co wykorzystano w demonstracji Kilopower. Materiał ten można także wykorzystać do produkcji broni nuklearnej, tzw niektórzy przywódcy polityczni są zaniepokojeni że wykorzystanie go w projektach kosmicznych może zachęcić do jego rozprzestrzeniania się na Ziemi.
Aby rozwiać te obawy, 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 celów wojskowych. „Konstrukcje nisko wzbogaconego uranu są bardzo atrakcyjne z punktu widzenia ograniczonych przepisów i zgodność z najnowszymi krajowymi dyrektywami dotyczącymi polityki nuklearnej w przestrzeni kosmicznej” – napisała Hernandez-Lugo w dalszej części e-mail. „Wykorzystanie wysoko wzbogaconego uranu jest nadal możliwe, jeśli misja ma przeważającą potrzebę”.
The najnowsza dyrektywa w sprawie polityki kosmicznej, wydany przez Biały Dom w grudniu ubiegłego roku, pozwala na stosowanie wyłącznie uranu wysokowzbogaconego jeśli zostanie 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 najpopularniejszych obecnie opcji zasilania wykorzystywanych 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, dlatego stale podnosimy poprzeczkę, co jest technicznie możliwe”.
– powiedział Leopold Summerer, szef zespołu ds. zaawansowanych koncepcji w ESA, który bada nowe technologie na potrzeby misji kosmicznych Digital Trends w e-mailu, że energia słoneczna ma przewagę nad energią jądrową, ponieważ nie potrzebuje dodatkowego bezpieczeństwa środki. Podkreślił także, że szerokie wykorzystanie technologii energii słonecznej na Ziemi oznacza ciągły rozwój, który można zastosować w przestrzeni kosmicznej misje: „Energia słoneczna to szybko rozwijająca się technologia, oferująca łatwość użycia, dostęp i wysoką dojrzałość, a ponadto jest w pełni odnawialna” – stwierdził. powiedział.
Tak szybkie tempo rozwoju oznacza, że inżynierowie projektują panele, z których można wytworzyć jeszcze więcej energii elektrycznej taką samą ilość światła słonecznego, a Summerer spodziewa się, że w przyszłych układach słonecznych będzie go coraz więcej wydajny.
„W kosmosie wydajność jest jeszcze ważniejsza niż na ziemi, dlatego stale staramy się wykorzystywać możliwości techniczne”, 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.
Jednak podobnie jak w przypadku wszystkich technologii, istnieją ograniczenia w wykorzystaniu energii słonecznej. „Ma tę wadę, że jest zależny od źródła zewnętrznego, słońca, i wszystkich wad z tym związanych” – powiedział Summerer. W wielu sytuacjach energia słoneczna jest dostarczana jedynie sporadycznie. Na planecie, na której panuje cykl dnia i nocy, baterie mogą służyć 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 opracowanie orbitujące elektrownie słoneczne, które mogłyby współpracować z panelami słonecznymi na powierzchni, gromadząc energię słoneczną i bezprzewodowo przesyłając ją na powierzchnię. ESA jest obecnie szukanie pojęć aby ten pomysł stał się rzeczywistością.
Światło słoneczne na Marsie
Jednak jeśli chodzi konkretnie o Marsa, wykorzystanie energii słonecznej wiąże się z pewnymi wyzwaniami. Ponieważ jest dalej od Słońca niż Ziemia, do powierzchni planety dociera mniej światła słonecznego. Oznacza to, że odkrywcy na Marsie będą mieli dostęp do około połowy natężenia promieniowania słonecznego, jakie mieliby na Ziemi.
Nie oznacza to, że wykorzystanie energii słonecznej na Marsie jest niemożliwe, po prostu misje muszą bardzo uważać na zużycie energii. Łaziki marsjańskie poprzedniej generacji NASA, Spirit i Opportunity, korzystały z energii słonecznej, a obecne orbitery, takie jak Mars Express i Mars Orbiter Mission, również są zasilane energią słoneczną.
Istnieje jednak inny problem na Marsie: Burze piaskowe. Mars ma złożony system pogodowy, który czasami skutkuje potężnymi globalnymi burzami piaskowymi, chwilowo blokującymi większość światła słonecznego i pokrywa praktycznie wszystko na planecie warstwą pyłu – także słonecznego panele. To właśnie spowodowało, że niezwykle długowieczny łazik Opportunity w końcu pociemniał, gdy w 2018 roku przez planetę przetoczyła się potężna burza piaskowa.
Summerer uważa, że łącząc powierzchniowe i orbitalne elektrownie słoneczne, prawdopodobnie można by wygenerować energię wystarczającą dla siedlisk ludzkich. Przyznał jednak również, że warto łączyć energię słoneczną z innymi źródłami energii, takimi jak energia jądrowa. „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” – dodał. napisał.
Wybór odpowiedniego źródła zasilania dla misji
Hernandez-Lugo zgodziła się, że wszelkiego rodzaju systemy zasilania misji na Marsa, w tym energia słoneczna, akumulatory i energia jądrowa, mogą mieć potencjalną wartość. „System zasilania będzie zależał od konkretnej misji” – powiedziała. Centrum badawcze Glenn Research Center, w którym pracuje, jest centrum rozwoju energetyki NASA i prowadzi badania na szeroką skalę różnorodne opcje zasilania, w tym baterie, ogniwa słoneczne, systemy radioizotopów, systemy energii rozszczepialnej i paliwo regeneracyjne komórki. Kluczem jest wybór odpowiedniego źródła zasilania dla potrzeb misji, w oparciu o dostępne zasoby.
System nuklearny ma wyraźne zalety w przypadku misji związanych z zamieszkaniem przez 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 w grę wchodzi energia nuklearna” – powiedziała. „Ponieważ potrzebujesz niezawodnego systemu, który zapewni ciągłą moc podczas nocnych operacji”.
Dla Marsa ważne jest także ciągłe wytwarzanie energii, zwłaszcza dla bezpieczeństwa mieszkających tam astronautów. Zdecydowanie potrzebujesz systemu elektroenergetycznego, który będzie działał w każdych warunkach pogodowych, nawet podczas pyłu, a energia jądrowa może to zapewnić.
Hernandez-Lugo zwróciła również uwagę, że obecne misje NASA na Marsa, takie jak Mars 2020, wykorzystują kombinację zarówno energii słonecznej, jak i moc dla helikoptera Ingenuity i energia jądrowa dla łazika Perseverance, aby sprostać szczególnym potrzebom misja.
„W tej chwili w agencji pracują nad udoskonaleniem wszystkich różnych systemów zasilania, aby były dostępne w misjach takich jak Księżyc i Mars” – powiedziała. „Jest więc miejsce na wszystkie systemy zasilania”.
Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie — 10-częściowa seria badająca najnowocześniejszą naukę i technologię, która umożliwi ludziom okupację Marsa
Zalecenia redaktorów
- Kosmologiczny dojazd: skomplikowana logistyka wysłania ludzi na Marsa
- Udoskonalanie napędu: jak zabierzemy 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
