Energia extraterrestre: como geraremos energia em Marte

Estabelecer uma presença humana em Marte acarretará uma enorme variedade de desafios, muitos dos quais estão ligados a um requisito essencial: Energia. Quer seja para criando oxigênio, conduzindo rovers, fornecendo calor e luz, ou comunicações, os futuros residentes de Marte precisarão de um fornecimento constante de eletricidade para mantê-los seguros e manter a missão em funcionamento.

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.

Este artigo faz parte Vida em Marte — uma série de 10 partes que explora a ciência e a tecnologia de ponta que permitirão aos humanos ocupar Marte

Reatores nucleares no espaço

Os planos da NASA para o futuro da geração de energia incluem sistemas de fissão nuclear, nos quais 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 produzir mais energia enquanto ainda permanece em um tamanho pequeno.

Em Março de 2018, o projecto Kilopower da agência demonstrou uma experiência de fissão capaz de produzir 1 quilowatt de energia, que poderia ser usada como base para futuros reactores 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 “aproximadamente do tamanho de um rolo de papel toalha”. Isso gerou calor, que foi então convertido em eletricidade por meio de um mecanismo denominado motor Stirling.

Um futuro sistema de energia de superfície de fissão será pequeno e leve e poderá funcionar durante 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 ideias da indústria para um sistema de 10 quilowatts. Quatro ou cinco dessas unidades poderiam abastecer um habitat de Marte com tudo o que isso implica – como a produção de oxigênio para foguetes propelente, além de 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 de energia de superfície de fissão da NASA demonstração de tecnologia lunar, e ela disse à Digital Trends que pretendem testar a primeira unidade na lua no próximo 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, quaisquer modificações necessárias no projeto poderiam ser feitas e ele poderia ser usado 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 módulo de pouso “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 módulo de pouso”, 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 a energia nuclear na Terra é a segurança, e isso também se aplica às missões espaciais. Os elementos radioativos utilizados nos reatores nucleares, como o urânio utilizado na demonstração Kilopower, emitem radiação que é perigosa para os seres humanos e que também pode causar problemas com dispositivos eletrônicos próximos equipamento.

Para manter as pessoas e os eletrônicos seguros, os sistemas de energia de fissão são cercados por uma espessa blindagem metálica 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 vibrações testando.

Hernandez-Lugo destacou que a NASA já lançou mais de 20 missões no passado que utilizaram vários tipos de sistemas de energia nuclear, “portanto, a NASA tem experiência e experiência no lançamento de sistemas de energia nuclear tanto para a Lua quanto para Marte.”

Há também uma preocupação sobre a utilização de urânio altamente enriquecido em sistemas de energia, que foi o que a demonstração Kilopower utilizou. Este material também pode ser usado para fabricar armas nucleares, por isso alguns líderes políticos estão preocupados que usá-lo em projetos espaciais pode encorajar a sua proliferação na Terra.

Para responder a estas preocupações, os futuros sistemas de fissão de superfície poderiam utilizar urânio pouco enriquecido, que é normalmente utilizado em reactores energéticos na Terra e não é adequado para armas. “Os projetos de urânio pouco enriquecido são muito atraentes do ponto de vista da regulamentação reduzida e conformidade com as recentes diretrizes de política nuclear espacial nacional”, escreveu Hernandez-Lugo em um acompanhamento e-mail. “A utilização de urânio altamente enriquecido ainda é possível se a missão tiver uma necessidade prevalecente.”

O mais recente directiva sobre política espacial, divulgado pela Casa Branca em dezembro do ano passado, só permite o uso de urânio altamente enriquecido se for aprovado por vários órgãos governamentais e puder ser demonstrado que é a única maneira de concluir um missão.

Energia do sol

Porém, a energia nuclear não é a única opção para geração de energia: uma das opções de energia mais comuns usadas para missões espaciais atualmente é a energia solar. A Agência Espacial Europeia (ESA) utiliza energia solar para praticamente todas as suas missões, e o seu próximo rover em Marte, chamado Rosalind Franklin, também será movido a energia solar.

Leopold Summerer, Chefe da Equipa de Conceitos Avançados da ESA, que investiga tecnologias emergentes para missões espaciais, disse Digital Trends em um e-mail informando que a energia solar tem uma vantagem sobre a energia nuclear, pois não precisa de segurança adicional medidas. Ele também destacou 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 fácil utilização, acesso e alta maturidade, além de ser totalmente renovável”, ele disse.

Este rápido ritmo 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 promovendo 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, especialmente para embarcações menores, como os satélites.

Mas, como todas as tecnologias, existem limitações ao uso da energia solar. “Tem a desvantagem de depender de uma fonte externa, o sol, e de todas as desvantagens que o acompanham”, disse Summerer. Em muitas situações, a energia solar é apenas intermitente. Num planeta com ciclo diurno e noturno, as baterias podem ser usadas para armazenar o excesso de energia durante o dia e continuar a fornecê-la à noite. Mas isto acrescenta outro elemento volumoso ao sistema de energia, bem como uma camada adicional de complexidade.

Uma solução futurista para este problema que está sendo considerada é o desenvolvimento de usinas solares 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 está actualmente buscando conceitos para transformar esta ideia em realidade.

A luz solar em Marte

Porém, quando se trata especificamente de Marte, existem alguns desafios no uso da 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 irradiância solar que teriam na Terra.

Isso não significa que o uso de energia solar seja impossível em Marte, apenas que as missões devem ter muito cuidado com o uso de energia. A geração anterior de rovers de Marte da NASA, Spirit e Opportunity, usavam energia solar, e os orbitadores atuais como o Mars Express e a 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 – incluindo a energia solar painéis. Foi isso que fez com que o rover Opportunity, de vida incrivelmente longa, finalmente apagasse, quando uma enorme tempestade de poeira atingiu o planeta em 2018.

Summerer acredita que, combinando usinas de energia solar de superfície e orbitais, provavelmente seria possível 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 mais recentes rovers, tais como o Perseverance, que acabou de chegar, às vezes pequenas fontes de energia nuclear oferecem uma vantagem competitiva tão grande que eu esperaria que elas 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 radioisótopos, 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 em um sistema nuclear para missões de habitação humana. Em primeiro lugar, quando você deseja projetar um sistema de energia para uso tanto na Lua quanto em Marte, como faz a NASA, então você 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 a energia nuclear entra em ação”, 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 lá vivem. Definitivamente, você deseja 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 destacou que as atuais missões da NASA a Marte, como a Mars 2020, usam uma combinação de energia solar 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 buscando desenvolver todos os diferentes sistemas de energia para disponibilizá-los em missões como a Lua e Marte”, disse ela. “Portanto, há um lugar para todos os sistemas de energia.”

Este artigo faz parte Vida em Marte — uma série de 10 partes que explora a ciência e a tecnologia de ponta que permitirão aos humanos ocupar Marte

Recomendações dos Editores

• Uma viagem cosmológica: a complicada logística de colocar pessoas em Marte
• Aperfeiçoando a propulsão: como levaremos os humanos a Marte
• Castelos de areia: como criaremos habitats com solo marciano
• Coletando hidratação: como os futuros colonos criarão e coletarão água em Marte
• Astroagricultura: como cultivaremos em Marte