Energie extraterestră: Cum vom genera energie pe Marte

Crearea unei prezențe umane pe Marte va veni cu o gamă largă de provocări, dintre care multe sunt legate de o cerință esențială: puterea. Fie că este pentru creând oxigen, conducând rovere, furnizând căldură și lumină sau comunicații, viitorii rezidenți pe Marte vor avea nevoie de o aprovizionare constantă cu energie electrică pentru a-i menține în siguranță și pentru a menține misiunea în funcțiune.

Totuși, nu există o rețea electrică pe Marte, iar soluțiile actuale ne pot duce doar atât de departe. Deci, cum va arăta prima centrală electrică din afara planetei? Am luat legătura cu doi oameni care lucrează la vârful sistemelor de energie spațială din două agenții diferite pentru a afla.

Acest articol face parte din Viata pe Marte - o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte

Reactoarele nucleare în spațiu

Planurile NASA pentru viitorul generării de energie includ sisteme de fisiune nucleară, în care atomii de uraniu sunt împărțiți în interiorul unui reactor pentru a genera căldură. În comparație cu sistemele de radioizotopi (RTG) care alimentează roverele precum Perseverance, sistemele de fisiune pot produce mai multă putere rămânând în continuare la o dimensiune mică.

În martie 2018, proiectul Kilopower al agenției a demonstrat un experiment de fisiune capabil să producă 1 kilowatt de putere, care ar putea fi folosit ca bază pentru viitoarele reactoare spațiale. Experimentul, poreclit KRUSTY după Reactorul Kilopower Folosind Tehnologia Stirling, a fost alimentat de un miez de uraniu-235 care A descris NASA ca „aproximativ de dimensiunea unei suluri de prosop de hârtie”. Aceasta a generat căldură, care a fost apoi convertită în electricitate printr-un mecanism numit motor Stirling.

Un viitor sistem de alimentare cu fisiune la suprafață va fi mic și ușor și ar putea funcționa cel puțin 10 ani. Acest lucru face ca conceptul să fie ideal pentru viitoarele misiuni pe Lună și, în cele din urmă, pe Marte.

Anul trecut, NASA, împreună cu Departamentul de Energie, au invitat idei din industrie pentru un sistem de 10 kilowați. Patru sau cinci astfel de unități ar putea alimenta un habitat pe Marte cu tot ceea ce presupune - cum ar fi producția de oxigen pentru rachetă propulsor, precum și satisfacerea nevoilor a trei până la patru astronauți, care se estimează că necesită un total de aproximativ 40 de kilowați.

Dionne Hernandez-Lugo a fost manager de proiect pentru Kilopower și acum este director adjunct de proiect pentru puterea de fisiune de suprafață a NASA demonstrație de tehnologie lunară și ea a spus Digital Trends că intenționează să testeze prima unitate de pe Lună în următorul deceniu.

„Ideea este de a demonstra mai întâi sistemul pe Lună, ca parte a programului Artemis”, a spus ea. „Proiectul nostru urmărește dezvoltarea unui sistem de 10 kilowați și realizarea primei demonstrații pe Lună. Asta ne-ar ajuta să înțelegem sistemul.” După aceasta, ar putea fi făcute orice modificări necesare de proiectare și ar putea fi folosită în viitoarele misiuni pe Marte.

Planul pentru primul test pe Lună este ca unitatea de putere să rămână în interiorul aterizatorului lunar. Lăsarea unității în aterizare „ajută la operațiuni mai ușoare ale sistemului, mai degrabă decât a lua masa suplimentară care ar permite îndepărtarea”, a explicat ea. La asta lucrează echipa ei. Dar, de asemenea, speră să vadă idei din industrie despre cum ar putea funcționa și un sistem detașabil. „În acest moment, în cadrul grupului nostru, ideea este să lăsăm sistemul în interiorul landului”, a spus ea. „Dar există o mulțime de inovații acolo și, în acest moment, căutăm acele inovații din industrie pentru a vedea alte opțiuni pe care le-ar avea.”

Un studiu intern al NASA a estimat că fiecare unitate de 10 kilowați va avea aproximativ șase metri (19,6 picioare) înălțime și peste doi metri (6,5 picioare) lățime, deși detaliile exacte ar depinde de designul final. O imagine conceptuală (sus) produsă de NASA arată patru astfel de unități legate între ele pe suprafața lui Marte pentru a furniza energie pentru o bază de acolo, astfel încât să vă puteți imagina cum ar putea arăta o centrală electrică marțiană.

Siguranța energiei nucleare

Un factor de care oamenii tind să fie preocupați atunci când vine vorba de utilizarea energiei nucleare pe Pământ este siguranța și asta se aplică și misiunilor spațiale. Elementele radioactive utilizate în reactoarele nucleare, cum ar fi uraniul folosit în demonstrația Kilopower, degajă radiații periculoase pentru oameni și care pot provoca, de asemenea, probleme cu electronicele din apropiere echipamente.

Pentru a menține atât oamenii, cât și electronicele în siguranță, sistemele de alimentare cu fisiune sunt înconjurate de ecrane metalice groase care conțin radiația. Orice sistem de alimentare nou pentru o misiune pe Marte va fi supus unor teste ample pe Pământ pentru a se asigura că acesta este a fost sigur chiar și în condiții extreme, cum ar fi testarea operațională, testarea în vid și vibrațiile testarea.

Hernandez-Lugo a subliniat că NASA a lansat deja peste 20 de misiuni în trecut care au folosit diferite tipuri de sisteme de energie nucleară, „deci NASA are experiență și experiență în lansarea sistemelor de energie nucleară atât pe Lună, cât și Marte."

Există, de asemenea, o îngrijorare cu privire la utilizarea uraniului foarte îmbogățit în sistemele de energie, care este ceea ce a folosit demonstrația Kilopower. Acest material poate fi folosit și la fabricarea de arme nucleare, deci unii lideri politici sunt îngrijoraţi că folosirea lui în proiecte spațiale ar putea încuraja proliferarea lui pe Pământ.

Pentru a răspunde acestor preocupări, viitoarele sisteme de fisiune de suprafață ar putea folosi în schimb uraniu slab îmbogățit, care este folosit în mod obișnuit în reactoarele de putere de pe Pământ și nu este de calitate pentru arme. „Desenele cu uraniu slab îmbogățit sunt foarte atractive din perspectiva reglementării reduse și conformitatea cu directivele naționale recente de politică nucleară spațială”, a scris Hernandez-Lugo într-o continuare e-mail. „Folosirea uraniului foarte îmbogățit este încă posibilă dacă misiunea are o nevoie predominantă.”

The cea mai recentă directivă de politică spațială, lansat de Casa Albă în decembrie anul trecut, permite doar utilizarea uraniului foarte îmbogățit dacă este aprobat de diverse organisme guvernamentale și se poate demonstra că este singura modalitate de a finaliza a misiune.

Energia de la soare

Cu toate acestea, energia nucleară nu este singura opțiune pentru generarea de energie: una dintre cele mai frecvente opțiuni de energie utilizate pentru misiunile spațiale în acest moment este energia solară. Agenția Spațială Europeană (ESA) folosește energia solară pentru aproape toate misiunile sale, iar viitorul său rover pe Marte, numit Rosalind Franklin, va fi alimentat și cu energie solară.

Leopold Summerer, șeful echipei de concepte avansate de la ESA, a spus cercetătorii tehnologii emergente pentru misiuni spațiale Digital Trends într-un e-mail că energia solară are un avantaj față de energia nucleară prin faptul că nu are nevoie de siguranță suplimentară măsuri. El a subliniat, de asemenea, că utilizarea pe scară largă a tehnologiei energiei solare pe Pământ înseamnă dezvoltări constante care pot fi aplicate în spațiu misiuni: „Energia solară este o tehnologie cu evoluție rapidă, care oferă o utilizare ușoară, acces și maturitate ridicată, pe lângă faptul că este complet regenerabilă”, el a spus.

Această rată rapidă de dezvoltare înseamnă că inginerii proiectează panouri care pot produce și mai multă energie electrică din aceeași cantitate de lumină solară, iar Summerer se așteaptă ca viitoarele sisteme solare să continue să primească mai mult eficient.

„În spațiu, eficiența este chiar mai importantă decât la sol și promovăm constant ceea ce este posibil din punct de vedere tehnic”, a spus Summerer. Creșteri relativ mici ale eficienței și masei celulelor solare pot face o mare diferență în costul total al sistemelor solare, în special pentru ambarcațiunile mai mici precum sateliții.

Dar, ca toate tehnologiile, există limitări în ceea ce privește utilizarea energiei solare. „Are dezavantajul că depinde de o sursă externă, de soare și de toate dezavantajele care vin cu el”, a spus Summerer. În multe situații, puterea de la soare este doar intermitentă. Pe o planetă cu ciclu de zi și de noapte, bateriile pot fi folosite pentru a stoca excesul de energie în timpul zilei și a continua să o furnizeze noaptea. Dar acest lucru adaugă un alt element voluminos sistemului de alimentare, precum și un strat suplimentar de complexitate.

O soluție futuristă la această problemă luată în considerare este dezvoltarea centrale solare orbitante, care ar putea funcționa în tandem cu panourile solare de la suprafață pentru a colecta energie de la soare și a o transmite la suprafață fără fir. ESA este în prezent căutând concepte pentru a face această idee în realitate.

Lumina soarelui de pe Marte

Când vine vorba în special de Marte, există unele provocări legate de utilizarea energiei solare. Deoarece este mai departe de Soare decât este Pământul, mai puțină lumină solară ajunge la suprafața planetei. Asta înseamnă că exploratorii de pe Marte vor avea acces la aproximativ jumătate din iradierea solară pe care o ar avea-o pe Pământ.

Asta nu înseamnă că folosirea energiei solare este imposibilă pe Marte, doar că misiunile trebuie să fie foarte atente cu utilizarea energiei. Roverele Marte din generația anterioară ale NASA, Spirit and Opportunity, au folosit energie solară și orbitierele actuale precum Mars Express și Mars Orbiter Mission sunt, de asemenea, alimentate cu energie solară.

Cu toate acestea, există o altă problemă pe Marte: Furtuni de nisip. Marte are un sistem meteorologic complex care ocazional duce la furtuni masive de praf la nivel mondial, blocându-se temporar mare parte din lumina soarelui și acoperă practic totul de pe planetă într-un strat de praf – inclusiv solar panouri. Acesta este ceea ce a făcut ca roverul Opportunity, incredibil de longeviv, să se întunece în cele din urmă, când o furtună masivă de praf s-a răsturnat pe planetă în 2018.

Summerer crede că, combinând centralele solare de suprafață și orbitale, probabil că ați putea genera suficientă energie pentru un habitat uman. Dar el a recunoscut, de asemenea, că este utilă combinarea energiei solare cu alte surse de energie precum nucleara. „Puterea solară de la suprafață și, în cele din urmă, completată de pe orbită poate oferi suficientă putere pentru habitatele umane de pe Marte, dar așa cum au demonstrat cele mai recente rover-uri, precum Ca Perseverență care tocmai a aterizat, uneori sursele de energie nucleară mici oferă un avantaj competitiv atât de mare încât m-aș aștepta ca și acestea să joace un rol”, a spus el. a scris.

Alegerea sursei de energie potrivită pentru misiune

Hernandez-Lugo a fost de acord că există o valoare potențială în tot felul de sisteme de energie pentru o misiune pe Marte, inclusiv solare, baterii și nucleare. „Sistemul de alimentare va depinde de misiunea specifică”, a spus ea. Centrul de cercetare Glenn de la NASA, unde lucrează, este centrul de dezvoltare a energiei pentru NASA și efectuează cercetări într-un larg varietate de opțiuni de alimentare, inclusiv baterii, celule solare, sisteme de izotopi radio, sisteme de alimentare cu fisiune și combustibil regenerativ celule. Cheia este să alegeți sursa de energie potrivită pentru nevoile misiunii, pe baza resurselor disponibile.

Există avantaje distincte pentru un sistem nuclear pentru misiunile de locuire umană. În primul rând, când doriți să proiectați un sistem de alimentare pentru a fi utilizat atât pe Lună, cât și pe Marte, așa cum face NASA, atunci trebuie să vă ocupați de perioadele de întuneric de două săptămâni pe Lună.

„Când începi să te gândești la cum proiectezi o arhitectură de misiune care să îți permită să ai putere constantă, atunci intră în joc nuclearul”, a spus ea. „Pentru că aveți nevoie de un sistem fiabil care vă va oferi putere continuă în timpul acelor operațiuni de noapte.”

Pentru Marte, generarea continuă de energie este de asemenea importantă, în special pentru siguranța astronauților care trăiesc acolo. Cu siguranță doriți un sistem de alimentare care să continue să funcționeze în orice condiții meteorologice, chiar și în timpul unui sistem de praf, iar energia nucleară poate oferi asta.

Hernandez-Lugo a subliniat, de asemenea, că misiunile actuale ale NASA pe Marte, cum ar fi Marte 2020, folosesc o combinație a ambelor sisteme solare. putere pentru elicopterul Ingenuity și putere nucleară pentru roverul Perseverance, pentru a se potrivi nevoilor particulare ale misiune.

„În acest moment, în cadrul agenției, ei urmăresc să avanseze toate sistemele de alimentare diferite pentru a le avea disponibile în misiuni precum Luna și Marte”, a spus ea. „Deci există un loc pentru toate sistemele de alimentare.”

Acest articol face parte din Viata pe Marte - o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte

Recomandările editorilor

• O navetă cosmologică: logistica complicată a punerii oamenilor pe Marte
• Perfecționarea propulsiei: cum vom duce oamenii pe Marte
• Castele făcute din nisip: Cum vom face habitate cu solul marțian
• Recoltarea hidratării: cum vor crea și colecta apă pe Marte viitorii coloniști
• Astroagricultura: Cum vom crește culturi pe Marte