Внеземная энергия: как мы будем генерировать энергию на Марсе

Установление человеческого присутствия на Марсе сопряжено с огромным спектром проблем, многие из которых связаны с одним важным требованием: властью. 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 продолжение миссии.

Однако на Марсе нет энергосистемы, и нынешние решения могут продвинуть нас лишь до определенной степени. Так как же будет выглядеть первая внепланетная электростанция? Чтобы выяснить это, мы связались с двумя людьми, работающими в сфере космических энергетических систем в двух разных агентствах.

Эта статья является частью Жизнь на Марсе — серия из 10 частей, посвященная передовым наукам и технологиям, которые позволят людям заселить 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), которые используются в марсоходах, таких как «Персеверанс», системы деления могут производить больше энергии оставаясь при этом небольшого размера.

В марте 2018 года проект агентства Kilopower продемонстрировал эксперимент деления, способный произвести мощность в 1 киловатт, которая может быть использована в качестве основы для будущих космических реакторов. Эксперимент, получивший прозвище «КРАСТИ» в честь киломощного реактора, использующего технологию Стирлинга, работал на ядре из урана-235, который НАСА описало как «размером с рулон бумажных полотенец». Это генерировало тепло, которое затем преобразулось в электричество с помощью механизма, называемого двигателем Стирлинга.

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

В прошлом году НАСА вместе с Министерством энергетики предложило промышленности идеи создания 10-киловаттной системы. Четыре или пять таких установок могли бы обеспечить энергией марсианскую среду обитания со всеми вытекающими отсюда последствиями — например, производством 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 поверхностной энергетике деления. демонстрацию лунных технологий, и она рассказала Digital Trends, что они намерены протестировать первый аппарат 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 проведение первой демонстрации на Луне. Это поможет 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 заключается в том, чтобы энергоблок остался внутри лунного корабля. Оставление модуля в посадочном модуле «помогает упростить работу системы, а не брать лишнюю массу, которую можно было бы снять», объяснила она. Над этим работает ее команда. Но они также надеются увидеть идеи промышленности о том, как могла бы работать съемная система. «Прямо сейчас внутри нашей группы идея состоит в том, чтобы оставить систему внутри посадочного модуля», — сказала она. «Но существует множество инноваций, и в настоящее время мы ищем эти инновации в промышленности, чтобы увидеть другие варианты, которые у них могут быть».

По оценкам внутреннего исследования НАСА, каждый 10-киловаттный блок 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. Концептуальное изображение (вверху), созданное НАСА, показывает четыре таких блока, соединенных вместе на поверхности Марса для обеспечения электроэнергией находящейся там базы, поэтому вы можете представить, как может выглядеть марсианская электростанция.

Безопасность атомной энергетики

Когда дело доходит до использования ядерной энергии на Земле, люди обычно беспокоятся о безопасности, 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 и которая также может вызвать проблемы с находящимися поблизости электронными устройствами. оборудование.

Чтобы обеспечить безопасность людей и электроники, энергосистемы ядерного деления окружены толстой металлической защитой, которая сдерживает излучение. Любая новая энергосистема для миссии на Марс будет подвергнута обширным испытаниям на Земле, чтобы убедиться в ее работоспособности. 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 космических аппаратов. ядерные энергетические системы, «поэтому НАСА имеет опыт и опыт запуска ядерных энергетических систем как на Луну, так и на Луну». Марс."

Также существует обеспокоенность по поводу использования высокообогащенного урана в энергосистемах, что и было использовано на демонстрации Kilopower. Этот материал также можно использовать 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 наземные системы деления могли бы вместо этого использовать низкообогащенный уран, который обычно используется в энергетических реакторах на Земле и не является оружейным. «Проекты по использованию низкообогащенного урана очень привлекательны с точки зрения снижения регулирования и соответствие последним директивам национальной космической ядерной политики», — написал Эрнандес-Луго в последующем сообщении. электронная почта. «Использование высокообогащенного урана все еще возможно, если у миссии будет преобладающая потребность».

последняя директива космической политики, опубликованный Белым домом в декабре прошлого года, разрешает использование только высокообогащенного урана. если оно одобрено различными государственными органами и может быть доказано, что это единственный способ завершить миссия.

Энергия Солнца

Однако ядерная энергия — не единственный вариант производства электроэнергии: одним из наиболее распространенных вариантов энергии, используемых в настоящее время для космических миссий, является солнечная энергия. Европейское космическое агентство (ЕКА) использует солнечную энергию практически во всех своих миссиях, и его будущий марсоход под названием «Розалинда Франклин» также будет работать на солнечной энергии.

Леопольд Саммерер, руководитель группы передовых концепций ЕКА, которая исследует новейшие технологии для космических миссий, рассказал Digital Trends в электронном письме о том, что солнечная энергия имеет преимущество перед ядерной, поскольку не требует дополнительной безопасности меры. Он также отметил, что широкое использование технологий солнечной энергии на Земле означает постоянные разработки, которые можно применить в космосе. миссий: «Солнечная энергия — это быстро развивающаяся технология, предлагающая простоту использования, доступ и высокую степень зрелости в дополнение к тому, что она полностью возобновляема», — он сказал.

Столь высокие темпы развития означают, 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 солнечного света. эффективный.

«В космосе эффективность даже важнее, чем на земле, и мы постоянно стремимся к тому, что технически возможно», — сказал Саммерер. Относительно небольшое увеличение эффективности и массы солнечных элементов может существенно повлиять на общую стоимость солнечных систем, особенно для небольших аппаратов, таких как спутники.

Но, как и у всех технологий, у солнечной энергии есть ограничения. «Его недостатком является зависимость от внешнего источника, солнца, и всех сопутствующих ему недостатков», — сказал Саммерер. Во многих ситуациях подача солнечной энергии осуществляется лишь с перерывами. На планете с дневным и ночным циклом батареи можно использовать для хранения избыточной энергии в течение дня и подачи ее ночью. Но это добавляет еще один громоздкий элемент к энергосистеме, а также дополнительный уровень сложности.

Одним из футуристических решений этой 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 чтобы воплотить эту идею в жизнь.

Солнечный свет на Марсе

Однако, когда речь идет конкретно о Марсе, существуют 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 нынешние 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 пылевым бурям, временно блокирующим большую часть солнечного света и покрывает практически все на планете слоем пыли, включая солнечную панели. Именно это привело к тому, что невероятно долгоживущий марсоход Opportunity в конечном итоге погас, когда в 2018 году по планете прокатилась мощная пылевая буря.

Саммерер считает, что, объединив наземные и орбитальные солнечные электростанции, вы, вероятно, сможете производить достаточно энергии для обитания человека. Но он также признал, что есть смысл сочетать солнечную энергию с другими источниками энергии, такими как ядерная. «Солнечная энергия на поверхности и, в конечном итоге, дополненная с орбиты, может обеспечить достаточно энергии для обитания людей на Марсе, но, как показали новейшие марсоходы, такие Поскольку «Настойчивость», которая только что приземлилась, иногда небольшие источники ядерной энергии обеспечивают такое большое конкурентное преимущество, что я ожидаю, что они также сыграют свою роль», — он написал.

Выбор правильного источника питания для миссии

Эрнандес-Луго согласился с тем, что для миссии на Марс потенциально полезны все виды энергетических систем, 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 по широкому кругу вопросов. различные варианты питания, включая батареи, солнечные элементы, радиоизотопные системы, системы ядерного деления и регенеративное топливо. клетки. Ключевым моментом является выбор правильного источника энергии для нужд миссии, исходя из имеющихся ресурсов.

У ядерной системы для миссий по населению есть явные преимущества. 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 спроектировать архитектуру миссии, которая позволит вам иметь постоянную мощность, тогда в игру вступает ядерное оружие», — сказала она. «Потому что вам нужна надежная система, которая обеспечит непрерывное электропитание во время ночных операций».

Для Марса также важно непрерывное производство электроэнергии, особенно для безопасности живущих там астронавтов. Вам определенно нужна энергосистема, которая будет продолжать работать в любых погодных условиях, даже во время запыления, и ядерная энергетика может это обеспечить.

Эрнандес-Луго также отметил, что текущие миссии НАСА на Марс, такие как «Марс 2020», используют комбинацию обоих солнечных лучей. мощность для вертолета Ingenuity и ядерная энергия для марсохода Perseverance, чтобы удовлетворить особые потребности миссия.

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

Эта статья является частью Жизнь на Марсе — серия из 10 частей, посвященная передовым наукам и технологиям, которые позволят людям заселить 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 создадим среду обитания из марсианского грунта
• Сбор гидратации: как будущие поселенцы будут создавать и собирать воду на Марсе
• Астросельское хозяйство: как мы будем выращивать урожай на Марсе