Внеземная энергия: как мы будем генерировать энергию на Марсе

Создание человеческого присутствия на Марсе сопряжено с огромным количеством проблем, многие из которых связаны с одним важным требованием: мощностью. Будь то для создание кислорода, управляя марсоходами, обеспечивая тепло и свет или связь, будущие жители Марса будут нуждаться в постоянном снабжении электричеством, чтобы обеспечить их безопасность и выполнение миссии.

Однако на Марсе нет энергосистемы, и текущие решения не позволяют нам двигаться дальше. Так как же будет выглядеть первая внепланетная электростанция? Мы связались с двумя людьми, работающими на переднем крае космических энергетических систем в двух разных агентствах, чтобы выяснить это.

Эта статья является частью Жизнь на Марсе — серия из 10 частей, в которой исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям оккупировать Марс.

Ядерные реакторы в космосе

Планы НАСА на будущее производства электроэнергии включают системы ядерного деления, в которых атомы урана расщепляются внутри реактора для выработки тепла. По сравнению с радиоизотопными системами (РТГ), которыми питаются такие марсоходы, как Perseverance, системы деления могут производить больше энергии при этом оставаясь в маленьком размере.

В марте 2018 года проект агентства Kilopower продемонстрировал эксперимент по расщеплению, способный производить 1 киловатт энергии, который можно было бы использовать в качестве основы для будущих космических реакторов. Эксперимент, получивший прозвище КРАСТИ в честь килоэнергетического реактора с использованием технологии Стирлинга, питался от активной зоны урана-235, которая НАСА описало как «размером с рулон бумажного полотенца». Это производило тепло, которое затем преобразовывалось в электричество с помощью механизма, называемого двигателем Стирлинга.

Будущая наземная энергосистема деления будет небольшой и легкой и сможет работать не менее 10 лет. Это делает концепцию идеальной для будущих полетов на Луну и, в конечном итоге, на Марс.

В прошлом году НАСА вместе с Министерством энергетики предложило промышленным предприятиям идеи для 10-киловаттной системы. Четыре или пять таких блоков могли бы питать марсианскую среду обитания со всеми вытекающими отсюда последствиями, такими как производство кислорода для ракет. топлива, а также удовлетворить потребности трех-четырех астронавтов, что, по оценкам, потребует в общей сложности около 40 киловатт.

Дионн Эрнандес-Луго была руководителем проекта Kilopower, а сейчас является заместителем руководителя проекта НАСА по наземной энергетике деления. демонстрацию лунных технологий, и она сказала Digital Trends, что они намерены испытать первый блок на Луне в течение следующего десятилетие.

«Идея состоит в том, чтобы сначала продемонстрировать систему на Луне в рамках программы «Артемида», — сказала она. «Наш проект направлен на разработку 10-киловаттной системы и первую демонстрацию на Луне. Это помогло бы нам понять систему». После этого можно было внести любые необходимые изменения в конструкцию, и ее можно было использовать в будущих миссиях на Марс.

План первого испытания на Луне состоит в том, чтобы силовая установка оставалась внутри лунного посадочного модуля. Она объяснила, что оставление модуля в посадочном модуле «помогает упростить работу системы, а не брать дополнительную массу, которая позволила бы ее удалить». Над этим работает ее команда. Но они также надеются увидеть идеи от промышленности о том, как могла бы работать съемная система. «Прямо сейчас в нашей группе идея состоит в том, чтобы оставить систему внутри посадочного модуля», — сказала она. «Но есть много инноваций, и в настоящее время мы ищем эти инновации в промышленности, чтобы увидеть другие варианты, которые они могли бы иметь».

По оценкам внутреннего исследования НАСА, каждая 10-киловаттная установка будет иметь высоту около шести метров (19,6 футов) и ширину более двух метров (6,5 футов), хотя точные детали будут зависеть от окончательного проекта. На концептуальном изображении (вверху), созданном НАСА, показаны четыре таких блока, соединенных вместе на поверхности Марса для обеспечения энергией базы, поэтому вы можете представить, как может выглядеть марсианская электростанция.

Безопасность атомной энергетики

Одним из факторов, который, как правило, волнует людей, когда дело доходит до использования ядерной энергии на Земле, является безопасность, и это относится и к космическим миссиям. Радиоактивные элементы, используемые в ядерных энергетических реакторах, такие как уран, использованный в демонстрации Kilopower, испускают радиацию, опасную для человека, а также могут вызвать проблемы с находящимися рядом электронными оборудование.

Чтобы обеспечить безопасность людей и электроники, энергосистемы деления окружены толстым металлическим экраном, который удерживает излучение. Любая новая энергосистема для марсианской миссии будет проходить всесторонние испытания на Земле, чтобы убедиться, что она был безопасен даже в экстремальных условиях, таких как эксплуатационные испытания, вакуумные испытания и вибрационные испытания. тестирование.

Эрнандес-Луго отметил, что в прошлом НАСА уже запустило более 20 миссий, в которых использовались различные типы ядерных энергетических систем, «поэтому у НАСА есть опыт и опыт в запуске ядерных энергетических систем как на Луну, так и на Марс."

Также есть опасения по поводу использования высокообогащенного урана в энергетических системах, что и использовалось в демонстрации Kilopower. Этот материал также может быть использован для изготовления ядерного оружия, поэтому некоторые политические лидеры обеспокоены что использование его в космических проектах может способствовать его распространению на Земле.

Чтобы решить эти проблемы, будущие системы наземного деления могли бы вместо этого использовать низкообогащенный уран, который обычно используется в энергетических реакторах на Земле и не является оружейным. «Проекты низкообогащенного урана очень привлекательны с точки зрения упрощения регулирования и соблюдение недавних директив национальной космической ядерной политики», — написал Эрнандес-Луго в последующем электронная почта. «Использование высокообогащенного урана все еще возможно, если у миссии есть превалирующая потребность».

последняя директива по космической политике, выпущенный Белым домом в декабре прошлого года, допускает использование только высокообогащенного урана. если это одобрено различными государственными органами и может быть показано, что это единственный способ завершить миссия.

Энергия солнца

Однако ядерная энергия — не единственный вариант выработки электроэнергии: одним из наиболее распространенных вариантов энергии, используемых сейчас для космических миссий, является солнечная энергия. Европейское космическое агентство (ESA) использует солнечную энергию практически для всех своих миссий, и его будущий марсоход Rosalind Franklin также будет работать на солнечной энергии.

Об этом заявил Леопольд Саммерер, глава группы передовых концепций ЕКА, занимающейся разработкой новых технологий для космических миссий. Digital Trends в электронном письме о том, что солнечная энергия имеет преимущество перед ядерной в том, что она не нуждается в дополнительной безопасности. меры. Он также отметил, что широкое использование технологий солнечной энергетики на Земле означает постоянные разработки, которые можно применить в космосе. миссии: «Солнечная энергия — это быстро развивающаяся технология, предлагающая простоту использования, доступность и высокую зрелость в дополнение к тому, что она полностью возобновляема», — он сказал.

Такой быстрый темп разработки означает, что инженеры разрабатывают панели, которые могут производить еще больше электроэнергии из такое же количество солнечного света, и Саммерер ожидает, что будущие солнечные системы будут продолжать получать больше эффективный.

«В космосе эффективность даже важнее, чем на земле, и мы постоянно продвигаем то, что технически возможно», — сказал Саммерер. Относительно небольшое увеличение эффективности и массы солнечных элементов может иметь большое значение в общей стоимости солнечных систем, особенно для небольших аппаратов, таких как спутники.

Но, как и у всех технологий, у солнечной энергии есть ограничения. «Его недостаток в том, что он зависит от внешнего источника, солнца и всех сопутствующих недостатков», — сказал Саммерер. Во многих ситуациях энергия от солнца прерывистая. На планете с дневным и ночным циклом батареи можно использовать для хранения избыточной энергии в течение дня и обеспечения ее ночью. Но это добавляет еще один громоздкий элемент к системе питания, а также дополнительный уровень сложности.

Одним из перспективных решений рассматриваемой проблемы является разработка орбитальные солнечные электростанции, который может работать в тандеме с солнечными панелями на поверхности, чтобы собирать энергию солнца и передавать ее на поверхность по беспроводной сети. ЕКА в настоящее время поиск концепций воплотить эту идею в реальность.

Солнечный свет на Марсе

Однако когда дело доходит до Марса, есть некоторые проблемы с использованием солнечной энергии. Поскольку она находится дальше от Солнца, чем Земля, меньше солнечного света достигает поверхности планеты. Это означает, что исследователи на Марсе будут иметь доступ примерно к половине солнечного излучения, которое они имели бы на Земле.

Это не означает, что использование солнечной энергии на Марсе невозможно, просто миссии должны быть очень осторожны с использованием энергии. Марсоходы НАСА предыдущего поколения Spirit и Opportunity использовали солнечную энергию, а современные орбитальные аппараты, такие как Mars Express и Mars Orbiter Mission, также работают на солнечной энергии.

Однако на Марсе есть еще одна проблема: Песчаная буря. Марс имеет сложную погодную систему, которая иногда приводит к массивным глобальным пыльным бурям, временно блокируя большую часть солнечного света и покрывает практически все на планете слоем пыли, включая солнечные панели. Именно поэтому невероятно долгоживущий марсоход Opportunity в конце концов погас, когда в 2018 году по планете прокатилась мощная пыльная буря.

Саммерер считает, что, объединив наземные и орбитальные солнечные электростанции, вы, вероятно, могли бы генерировать достаточно энергии для обитания человека. Но он также признал ценность сочетания солнечной энергии с другими источниками энергии, такими как атомная энергия. «Солнечная энергия на поверхности и, в конечном итоге, дополняемая с орбиты, может обеспечить достаточную энергию для обитания человека на Марсе, но, как показали последние марсоходы, такие «Настойчивость», которая только что приземлилась, иногда небольшие ядерные источники энергии обеспечивают такое большое конкурентное преимущество, что я ожидаю, что они также сыграют свою роль», — сказал он. написал.

Выбор правильного источника питания для миссии

Эрнандес-Луго согласился с тем, что потенциальная ценность всех видов энергосистем для марсианской миссии, включая солнечные, аккумуляторные и ядерные. «Энергосистема будет зависеть от конкретной миссии», — сказала она. Исследовательский центр Гленна НАСА, где она работает, является центром развития энергетики НАСА и проводит исследования в широком диапазоне различные варианты питания, включая батареи, солнечные элементы, радиоизотопные системы, энергетические системы деления и регенеративное топливо клетки. Ключ в том, чтобы выбрать правильный источник питания для нужд миссии, исходя из доступных ресурсов.

У ядерной системы есть явные преимущества для миссий по обитанию людей. Во-первых, когда вы хотите спроектировать энергосистему для использования как на Луне, так и на Марсе, как это делает НАСА, вам нужно иметь дело с двухнедельными периодами темноты на Луне.

«Когда вы начинаете думать о том, как разработать архитектуру миссии, которая позволит вам иметь постоянную мощность, тогда в игру вступает ядерная энергия», — сказала она. «Потому что вам нужна надежная система, которая будет давать вам постоянную мощность во время ночных операций».

Для Марса также важна непрерывная генерация энергии, особенно для безопасности живущих там астронавтов. Вам определенно нужна энергосистема, которая будет работать в любых погодных условиях, даже при запыленной системе, и ядерная энергетика может это обеспечить.

Эрнандес-Луго также указал, что текущие миссии НАСА на Марс, такие как Mars 2020, используют комбинацию как солнечной, так и солнечной энергии. мощность для вертолета Ingenuity и ядерная энергия для вездехода Perseverance, чтобы соответствовать конкретным потребностям миссия.

«В настоящее время в агентстве они рассматривают возможность усовершенствования всех различных энергетических систем, чтобы они были доступны в таких миссиях, как Луна и Марс», — сказала она. «Так что есть место для всех систем питания».

Эта статья является частью Жизнь на Марсе — серия из 10 частей, в которой исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям оккупировать Марс.

Рекомендации редакции

• Космологическое путешествие: сложная логистика доставки людей на Марс
• Совершенствование двигательной установки: как мы доставим людей на Марс
• Замки из песка: как мы будем делать жилища из марсианского грунта
• Сбор гидратации: как будущие поселенцы будут создавать и собирать воду на Марсе
• Астроземледелие: как мы будем выращивать урожай на Марсе