Estabelecer uma presença humana em Marte trará uma enorme gama de desafios, muitos dos quais estão ligados a um requisito essencial: poder. Quer seja para criando oxigênio, dirigindo rovers, fornecendo calor e luz ou comunicações, os futuros residentes de Marte precisarão de um suprimento constante de eletricidade para mantê-los seguros e manter a missão funcionando.
Conteúdo
- Reatores nucleares no espaço
- A segurança da energia nuclear
- Energia do sol
- A luz do sol em Marte
- Escolhendo a fonte de energia certa para a missão
Porém, não há rede elétrica em Marte, e as soluções atuais só podem nos levar até certo ponto. Então, como será a primeira usina fora do planeta? Entramos em contato com duas pessoas que trabalham na vanguarda dos sistemas de energia espacial em duas agências diferentes para descobrir.
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Reatores nucleares no espaço
Os planos da NASA para o futuro da geração de energia incluem sistemas de fissão nuclear, nos quais os átomos de urânio são divididos dentro de um reator para gerar calor. Em comparação com os sistemas de radioisótopos (RTGs) que alimentam rovers como o Perseverance, os sistemas de fissão podem
Em março de 2018, o projeto Kilopower da agência demonstrou um experimento de fissão capaz de produzir 1 quilowatt de energia, que poderia ser usado como base para futuros reatores espaciais. O experimento, apelidado de KRUSTY em homenagem ao Reator Kilopower Usando Tecnologia Stirling, foi alimentado por um núcleo de urânio-235 que NASA descreveu como “mais ou menos do tamanho de um rolo de papel toalha”. Isso gerou calor, que foi então convertido em eletricidade por meio de um mecanismo chamado motor Stirling.
Um futuro sistema de energia de superfície de fissão será pequeno e leve e poderá funcionar por pelo menos 10 anos. Isso torna o conceito ideal para futuras missões à Lua e, eventualmente, a Marte.
No ano passado, a NASA, juntamente com o Departamento de Energia, convidou a indústria para um sistema de 10 quilowatts. Quatro ou cinco dessas unidades poderiam alimentar um habitat em Marte com tudo o que isso implica - como a produção de oxigênio para foguetes propulsor, bem como atender às necessidades de três a quatro astronautas, o que se estima exigir um total de cerca de 40 quilowatts.
Dionne Hernandez-Lugo foi gerente de projeto da Kilopower e agora é vice-gerente de projeto da energia de superfície de fissão da NASA demonstração de tecnologia lunar, e ela disse ao Digital Trends que eles pretendem testar a primeira unidade na lua nos próximos década.
“A ideia é demonstrar o sistema primeiro na lua como parte do programa Artemis”, disse ela. “Nosso projeto visa desenvolver um sistema de 10 quilowatts e fazer a primeira demonstração na lua. Isso nos ajudaria a entender o sistema.” Depois disso, qualquer modificação de projeto necessária pode ser feita e pode ser usada em futuras missões a Marte.
O plano para o primeiro teste na lua é que a unidade de energia permaneça dentro do módulo lunar. Deixar a unidade no lander “ajuda a facilitar as operações do sistema, em vez de retirar a massa extra que permitiria a remoção”, explicou ela. É nisso que sua equipe está trabalhando. Mas eles também esperam ver ideias da indústria sobre como um sistema removível poderia funcionar. “Neste momento, dentro do nosso grupo, a ideia é deixar o sistema dentro do lander”, disse ela. “Mas há muitas inovações por aí e, neste momento, estamos buscando essas inovações na indústria para ver outras opções que elas teriam.”
Um estudo interno da NASA estimou que cada unidade de 10 quilowatts terá cerca de seis metros (19,6 pés) de altura e mais de dois metros (6,5 pés) de largura, embora os detalhes exatos dependam do projeto final. Uma imagem conceitual (acima) produzida pela NASA mostra quatro dessas unidades ligadas entre si na superfície de Marte para fornecer energia para uma base lá, para que você possa imaginar como seria uma usina marciana.
A segurança da energia nuclear
Um fator com o qual as pessoas tendem a se preocupar quando se trata de usar energia nuclear na Terra é a segurança, e isso também se aplica às missões espaciais. Os elementos radioativos usados em reatores de energia nuclear, como o urânio usado na demonstração de Kilopower, emitem radiação que é perigosa para os seres humanos e que também pode causar problemas com equipamentos eletrônicos próximos equipamento.
Para manter as pessoas e os eletrônicos seguros, os sistemas de energia de fissão são cercados por uma espessa blindagem de metal que contém a radiação. Qualquer novo sistema de energia para uma missão a Marte seria submetido a testes extensivos na Terra para garantir que era seguro mesmo sob condições extremas, como testes operacionais, testes de vácuo e vibração teste.
Hernandez-Lugo destacou que a NASA já lançou mais de 20 missões no passado que usaram vários tipos de sistemas de energia nuclear, “portanto, a NASA tem experiência e experiência no lançamento de sistemas de energia nuclear para a lua e Marte.
Há também uma preocupação com o uso de urânio altamente enriquecido em sistemas de energia, que é o que a demonstração do Kilopower usou. Este material também pode ser usado para fazer armas nucleares, então alguns líderes políticos estão preocupados que usá-lo em projetos espaciais pode encorajar sua proliferação na Terra.
Para resolver essas preocupações, os futuros sistemas de fissão de superfície poderiam usar urânio de baixo enriquecimento, que é comumente usado em reatores de energia na Terra e não é de grau bélico. “Os projetos de urânio de baixo enriquecimento são muito atraentes do ponto de vista da regulamentação reduzida e conformidade com as recentes diretrizes da política nuclear espacial nacional”, escreveu Hernandez-Lugo em um e-mail. “O uso de urânio altamente enriquecido ainda é possível se a missão tiver uma necessidade predominante.”
O última diretiva de política espacial, divulgado pela Casa Branca em dezembro do ano passado, permite apenas o uso de urânio altamente enriquecido se for aprovado por vários órgãos governamentais e pode ser mostrado como a única maneira de concluir um missão.
Energia do sol
A energia nuclear não é a única opção para geração de energia: uma das opções de energia mais comuns usadas para missões espaciais no momento é a energia solar. A Agência Espacial Européia (ESA) usa energia solar para praticamente todas as suas missões, e seu próximo rover marciano, chamado Rosalind Franklin, também será movido a energia solar.
“No espaço, a eficiência é ainda mais importante do que no solo e estamos constantemente buscando o que é tecnicamente possível.”
Leopold Summerer, chefe da Equipe de Conceitos Avançados da ESA, que pesquisa tecnologias emergentes para missões espaciais, disse Tendências digitais em um e-mail de que a energia solar tem uma vantagem sobre a energia nuclear por não precisar de segurança adicional medidas. Ele também apontou que o uso extensivo da tecnologia de energia solar na Terra significa desenvolvimentos constantes que podem ser aplicados ao espaço missões: “A energia solar é uma tecnologia em rápida evolução que oferece facilidade de uso, acesso e alta maturidade, além de ser totalmente renovável”, ele disse.
Esta rápida taxa de desenvolvimento significa que os engenheiros estão projetando painéis que podem produzir ainda mais eletricidade a partir de a mesma quantidade de luz solar, e Summerer espera que os futuros sistemas solares continuem a receber mais eficiente.
“No espaço, a eficiência é ainda mais importante do que no solo e estamos constantemente buscando o que é tecnicamente possível”, disse Summerer. Aumentos relativamente pequenos na eficiência e na massa das células solares podem fazer uma grande diferença no custo total dos sistemas solares, principalmente para naves menores, como satélites.
Mas, como todas as tecnologias, há limitações quanto ao uso da energia solar. “Ele tem a desvantagem de depender de uma fonte externa, o sol, e todas as desvantagens que o acompanham”, disse Summerer. Em muitas situações, a energia do sol é apenas intermitente. Em um planeta com ciclo diurno e noturno, as baterias podem ser usadas para armazenar o excesso de energia durante o dia e continuar fornecendo-o à noite. Mas isso adiciona outro elemento volumoso ao sistema de energia, bem como uma camada adicional de complexidade.
Uma solução futurista para este problema que está sendo considerado é o desenvolvimento de usinas de energia solar em órbita, que poderia funcionar em conjunto com painéis de energia solar na superfície para coletar energia do sol e transmiti-la para a superfície sem fio. A ESA é atualmente buscando conceitos para tornar esta ideia uma realidade.
A luz do sol em Marte
No entanto, quando se trata especificamente de Marte, existem alguns desafios com o uso de energia solar. Como está mais longe do sol do que a Terra, menos luz solar atinge a superfície do planeta. Isso significa que os exploradores em Marte terão acesso a cerca de metade da irradiação solar que teriam na Terra.
Isso não significa que o uso de energia solar seja impossível em Marte, apenas que as missões precisam ter muito cuidado com o uso de energia. Os rovers de geração anterior da NASA, Spirit e Opportunity, usavam energia solar, e orbitadores atuais como Mars Express e Mars Orbiter Mission também são movidos a energia solar.
No entanto, há outro problema em Marte: Tempestade de poeira. Marte tem um sistema climático complexo que ocasionalmente resulta em enormes tempestades globais de poeira, bloqueando temporariamente grande parte da luz do sol e cobrindo praticamente tudo no planeta com uma camada de poeira – inclusive a energia solar painéis. Foi isso que fez com que o rover Opportunity de vida incrivelmente longa acabasse escurecendo, quando uma enorme tempestade de poeira atingiu o planeta em 2018.
Summerer acredita que, combinando usinas solares de superfície e orbitais, você provavelmente poderia gerar energia suficiente para um habitat humano. Mas ele também reconheceu que há valor em combinar a energia solar com outras fontes de energia, como a nuclear. “A energia solar na superfície e eventualmente complementada a partir da órbita pode fornecer energia suficiente para os habitats humanos em Marte, mas, como demonstrado pelos últimos rovers, tais como o Perseverance que acabou de pousar, às vezes pequenas fontes de energia nuclear oferecem uma vantagem competitiva tão grande que eu esperaria que também desempenhassem um papel ”, ele escreveu.
Escolhendo a fonte de energia certa para a missão
Hernandez-Lugo concordou que há valor potencial em todos os tipos de sistemas de energia para uma missão a Marte, incluindo solar, baterias e nuclear. “O sistema de energia vai depender da missão específica”, disse ela. O Glenn Research Center da NASA, onde ela trabalha, é o centro de desenvolvimento de energia da NASA e realiza pesquisas em uma ampla variedade de opções de energia, incluindo baterias, células solares, sistemas de isótopos de rádio, sistemas de energia de fissão e combustível regenerativo células. A chave é escolher a fonte de energia certa para as necessidades da missão, com base nos recursos disponíveis.
Existem vantagens distintas para um sistema nuclear para missões de habitação humana. Em primeiro lugar, quando você deseja projetar um sistema de energia para uso na lua e em Marte, como a NASA faz, precisa lidar com os períodos de escuridão de duas semanas na lua.
“Quando você começa a pensar em como projetar uma arquitetura de missão que permita ter energia constante, é aí que entra em jogo a energia nuclear”, disse ela. “Porque você precisa de um sistema confiável que forneça energia contínua durante as operações noturnas.”
Para Marte, a geração contínua de energia também é importante, especialmente para a segurança dos astronautas que vivem lá. Você definitivamente quer um sistema de energia que continue funcionando em quaisquer condições climáticas, mesmo durante um sistema de poeira, e a energia nuclear pode fornecer isso.
Hernandez-Lugo também apontou que as missões atuais da NASA para Marte, como a Mars 2020, usam uma combinação de ambos os sistemas solares. energia para o helicóptero Ingenuity e energia nuclear para o rover Perseverance, para atender às necessidades específicas do missão.
“Neste momento, dentro da agência, eles estão olhando para o avanço de todos os diferentes sistemas de energia para tê-los disponíveis em missões como a lua e Marte”, disse ela. “Portanto, há um lugar para todos os sistemas de energia.”
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