Mimozemská energia: Ako budeme generovať energiu na Marse

Zriadenie ľudskej prítomnosti na Marse prinesie obrovské množstvo výziev, z ktorých mnohé sú spojené s jednou základnou požiadavkou: s výkonom. Či už je to pre vytváranie kyslíka, riadenie roverov, poskytovanie tepla a svetla alebo komunikácie, budú budúci obyvatelia Marsu potrebovať stály prísun elektriny, aby boli v bezpečí a aby misia bežala.

Na Marse však nie je elektrická sieť a súčasné riešenia nás môžu zaviesť len tak ďaleko. Ako teda bude vyzerať prvá mimoplanetárna elektráreň? Skontaktovali sme sa s dvoma ľuďmi pracujúcimi na špičke vesmírnych energetických systémov v dvoch rôznych agentúrach, aby sme to zistili.

Tento článok je súčasťou Život na Marse — 10-dielna séria, ktorá skúma špičkovú vedu a technológiu, ktorá ľuďom umožní okupovať Mars

Jadrové reaktory vo vesmíre

Plány NASA pre budúcnosť výroby energie zahŕňajú systémy jadrového štiepenia, v ktorých sa atómy uránu rozdeľujú vo vnútri reaktora na výrobu tepla. V porovnaní s rádioizotopovými systémami (RTG), ktoré poháňajú rovery ako Perseverance, môžu štiepne systémy

produkovať viac energie pričom stále zostáva na malej veľkosti.

V marci 2018 projekt agentúry Kilopower demonštroval štiepny experiment schopný vyprodukovať 1 kilowatt energie, ktorý by sa dal použiť ako základ pre budúce vesmírne reaktory. Experiment, prezývaný KRUSTY podľa Kilopower Reactor Using Stirling Technology, bol poháňaný jadrom z uránu-235, ktoré Opísala NASA ako „veľkosť rolky papierovej utierky“. Toto vytváralo teplo, ktoré sa potom premieňalo na elektrinu prostredníctvom mechanizmu nazývaného Stirlingov motor.

Budúci štiepny povrchový energetický systém bude malý a ľahký a mohol by fungovať najmenej 10 rokov. Vďaka tomu je tento koncept ideálny pre budúce misie na Mesiac a nakoniec aj na Mars.

Minulý rok NASA spolu s ministerstvom energetiky pozvala nápady z priemyslu na 10-kilowattový systém. Štyri alebo päť takýchto jednotiek by mohlo poháňať biotop na Marse so všetkým, čo k tomu patrí – ako je výroba kyslíka pre rakety pohonnú hmotu, ako aj uspokojenie potrieb troch až štyroch astronautov, čo si podľa odhadov vyžiada celkovo okolo 40 kilowattov.

Dionne Hernandez-Lugo bola projektovou manažérkou pre Kilopower a teraz je zástupkyňou projektového manažéra pre štiepnu povrchovú energiu NASA. demonštráciu lunárnej technológie a pre Digital Trends povedala, že v priebehu nasledujúceho plánujú otestovať prvú jednotku na Mesiaci desaťročie.

„Myšlienkou je demonštrovať systém najskôr na Mesiaci ako súčasť programu Artemis,“ povedala. „Náš projekt sa zameriava na vývoj 10-kilowattového systému a uskutočnenie prvej demonštrácie na Mesiaci. To by nám pomohlo pochopiť systém." Potom bolo možné vykonať akékoľvek požadované konštrukčné úpravy a mohol by sa použiť v budúcich misiách na Mars.

Plán prvého testu na Mesiaci je taký, že pohonná jednotka zostane v lunárnom landeri. Ponechanie jednotky v pristávacom zariadení „pomáha k jednoduchšej prevádzke systému namiesto toho, aby sa brala dodatočná hmota, ktorá by umožnila odstránenie,“ vysvetlila. To je to, na čom jej tím pracuje. Ale tiež dúfajú, že uvidia nápady z priemyslu o tom, ako by mohol fungovať aj odnímateľný systém. "Práve teraz je v rámci našej skupiny myšlienkou opustiť systém v pristávacom module," povedala. "Ale je tu veľa inovácií a v súčasnosti hľadáme tieto inovácie v priemysle, aby sme videli ďalšie možnosti, ktoré by mali."

Interná štúdia NASA odhadla, že každá 10-kilowattová jednotka bude približne šesť metrov (19,6 stôp) vysoká a viac ako dva metre (6,5 stôp) široká, hoci presné detaily budú závisieť od konečného dizajnu. Koncepčný obrázok (vyššie), ktorý vytvorila NASA, ukazuje štyri takéto jednotky spojené na povrchu Marsu, aby poskytovali energiu pre tamojšiu základňu, takže si môžete predstaviť, ako by mohla vyzerať marťanská elektráreň.

Bezpečnosť jadrovej energie

Jedným z faktorov, ktorým sa ľudia pri využívaní jadrovej energie na Zemi zvyknú zaoberať, je bezpečnosť, a to platí aj pre vesmírne misie. Rádioaktívne prvky používané v jadrových energetických reaktoroch, ako napríklad urán použitý pri demonštrácii Kilopower, vyžarujú žiarenie, ktoré je nebezpečné pre ľudí a ktoré môže tiež spôsobiť problémy s blízkou elektronikou zariadení.

Aby boli ľudia aj elektronika v bezpečí, štiepne energetické systémy sú obklopené hrubým kovovým tienením, ktoré obsahuje žiarenie. Akýkoľvek nový energetický systém pre misiu na Mars by bol podrobený rozsiahlym testom na Zemi, aby sa to zaistilo bola bezpečná aj v extrémnych podmienkach, ako je prevádzkové testovanie, vákuové testovanie a vibrácie testovanie.

Hernandez-Lugo poukázal na to, že NASA už v minulosti spustila viac ako 20 misií, ktoré využívali rôzne typy jadrových energetických systémov, „takže NASA má odborné znalosti a skúsenosti s vypúšťaním jadrových energetických systémov na Mesiac aj Mars."

Existuje tiež obava z používania vysoko obohateného uránu v energetických systémoch, čo využila demonštrácia Kilopower. Tento materiál sa dá použiť aj na výrobu jadrových zbraní, tzv niektorí politickí lídri sú znepokojení že jeho použitie vo vesmírnych projektoch by mohlo podporiť jeho šírenie na Zemi.

Na vyriešenie týchto obáv by budúce systémy povrchového štiepenia mohli namiesto toho používať nízko obohatený urán, ktorý sa bežne používa v energetických reaktoroch na Zemi a nie je na úrovni zbraní. „Návrhy nízko obohateného uránu sú veľmi atraktívne z hľadiska zníženej regulácie a súlad s nedávnymi národnými smernicami o vesmírnej jadrovej politike,“ napísal Hernandez-Lugo v pokračovaní email. "Použitie vysoko obohateného uránu je stále možné, ak má misia prevládajúcu potrebu."

The najnovšia smernica o vesmírnej politike, vydaný Bielym domom v decembri minulého roka, umožňuje len použitie vysoko obohateného uránu ak to schvália rôzne vládne orgány a dá sa preukázať, že je to jediný spôsob, ako dokončiť a poslanie.

Energia zo slnka

Jadrová energia však nie je jedinou možnosťou výroby energie: Jednou z najbežnejších možností napájania, ktoré sa v súčasnosti používa pri vesmírnych misiách, je solárna energia. Európska vesmírna agentúra (ESA) využíva slnečnú energiu prakticky na všetky svoje misie a jej pripravovaný marťanský rover s názvom Rosalind Franklin bude tiež poháňaný solárnou energiou.

Povedal to Leopold Summerer, vedúci tímu pokročilých konceptov v ESA, ktorý skúma nové technológie pre vesmírne misie Digitálne trendy v e-maile, že solárna energia má výhodu oproti jadrovej v tom, že nepotrebuje ďalšiu bezpečnosť Opatrenia. Poukázal tiež na to, že rozsiahle využívanie technológie solárnej energie na Zemi znamená neustály vývoj, ktorý možno aplikovať vo vesmíre misie: „Slnečná energia je rýchlo sa vyvíjajúca technológia, ktorá okrem toho, že je plne obnoviteľná, ponúka jednoduché používanie, prístup a vysokú vyspelosť,“ povedal.

Toto rýchle tempo vývoja znamená, že inžinieri navrhujú panely, ktoré dokážu vyrobiť ešte viac elektriny rovnaké množstvo slnečného svetla a Summerer očakáva, že budúce solárne systémy budú naďalej dostávať viac efektívne.

„Vo vesmíre je efektívnosť ešte dôležitejšia ako na zemi a neustále presadzujeme to, čo je technicky možné,“ povedal Summerer. Relatívne malé zvýšenie účinnosti a hmotnosti solárnych článkov môže znamenať veľký rozdiel v celkových nákladoch na solárne systémy, najmä v prípade menších plavidiel, ako sú satelity.

Ale ako všetky technológie, aj tu existujú obmedzenia týkajúce sa využívania solárnej energie. "Má nevýhodu, že je závislý od vonkajšieho zdroja, slnka a všetkých nevýhod, ktoré s tým súvisia," povedal Summerer. V mnohých situáciách je energia zo slnka len prerušovaná. Na planéte s denným a nočným cyklom možno batérie použiť na ukladanie prebytočnej energie počas dňa a jej dodávanie v noci. To však pridáva ďalší objemný prvok do energetického systému, ako aj ďalšiu vrstvu zložitosti.

Jedným z futuristických riešení tohto zvažovaného problému je vývoj obiehajúce solárne elektrárne, ktorý by mohol pracovať v tandeme so solárnymi panelmi na povrchu, aby zbierali energiu zo slnka a prenášali ju na povrch bezdrôtovo. ESA je v súčasnosti hľadanie konceptov aby sa táto myšlienka stala skutočnosťou.

Slnečné svetlo na Marse

Pokiaľ ide konkrétne o Mars, existujú určité problémy s využívaním solárnej energie. Keďže je od Slnka ďalej ako Zem, na povrch planéty sa dostane menej slnečného svetla. To znamená, že prieskumníci na Marse budú mať prístup k približne polovici slnečného žiarenia, ktoré by mali na Zemi.

To neznamená, že používanie solárnej energie je na Marse nemožné, len to, že misie musia byť veľmi opatrní pri využívaní energie. Mars rovery predchádzajúcej generácie NASA, Spirit a Opportunity, využívali solárnu energiu a súčasné orbitery ako Mars Express a Mars Orbiter Mission sú tiež poháňané solárnou energiou.

Na Marse je však ďalší problém: Prachové búrky. Mars má zložitý poveternostný systém, ktorý občas vedie k masívnym globálnym prachovým búrkam, ktoré dočasne blokujú veľkú časť slnečného svetla a pokrývajúce prakticky všetko na planéte vrstvou prachu – vrátane slnečného žiarenia panelov. To spôsobilo, že neuveriteľne dlhotrvajúci rover Opportunity nakoniec stmavol, keď sa v roku 2018 prehnala planétou masívna prachová búrka.

Summerer si myslí, že kombináciou povrchových a orbitálnych solárnych elektrární by ste pravdepodobne mohli vyrobiť dostatok energie pre ľudské prostredie. Ale tiež uznal, že má hodnotu kombinovanie solárnej energie s inými zdrojmi energie, ako je jadrová energia. „Slnečná energia na povrchu a prípadne doplnená z obežnej dráhy môže poskytnúť dostatok energie pre ľudské biotopy na Marse, ale ako ukázali najnovšie rovery, napr. ako Perseverance, ktorá práve pristála, niekedy malé jadrové zdroje poskytujú takú veľkú konkurenčnú výhodu, že by som očakával, že aj tieto zohrajú svoju rolu,“ napísal.

Výber správneho zdroja energie pre misiu

Hernandez-Lugo súhlasil s tým, že všetky druhy energetických systémov pre misiu na Mars, vrátane solárnych, batériových a jadrových, majú potenciálnu hodnotu. "Elektronický systém bude závisieť od konkrétnej misie," povedala. Výskumné centrum NASA Glenn, kde pracuje, je centrom vývoja energie pre NASA a vykonáva výskum v širokom rozsahu rôzne možnosti napájania, vrátane batérií, solárnych článkov, rádiových izotopových systémov, štiepnych energetických systémov a regeneratívneho paliva bunky. Kľúčom je vybrať správny zdroj energie pre potreby misie na základe dostupných zdrojov.

Jadrový systém má jasné výhody pre misie na ľudské obydlia. Po prvé, keď chcete navrhnúť energetický systém na použitie na Mesiaci aj na Marse, ako to robí NASA, musíte sa vysporiadať s dvojtýždňovými obdobiami tmy na Mesiaci.

„Keď začnete premýšľať o tom, ako navrhnete architektúru misie, ktorá vám umožní mať stály výkon, vtedy prichádza do hry jadrová energia,“ povedala. "Pretože potrebujete spoľahlivý systém, ktorý vám poskytne nepretržitú energiu počas týchto nočných operácií."

Pre Mars je tiež dôležitá nepretržitá výroba energie, najmä pre bezpečnosť tam žijúcich astronautov. Určite chcete energetický systém, ktorý bude fungovať za akýchkoľvek poveternostných podmienok, dokonca aj počas prašného systému, a jadrová energia vám to môže poskytnúť.

Hernandez-Lugo tiež poukázal na to, že súčasné misie NASA na Mars, podobne ako Mars 2020, využívajú kombináciu oboch solárnych energie pre vrtuľník Ingenuity a jadrová energia pre rover Perseverance, aby vyhovovali konkrétnym potrebám poslanie.

"V súčasnosti sa v rámci agentúry pozerajú na pokrok vo všetkých rôznych energetických systémoch, aby ich mali k dispozícii na misiách, ako je Mesiac a Mars," povedala. "Takže je tu miesto pre všetky energetické systémy."

Tento článok je súčasťou Život na Marse — 10-dielna séria, ktorá skúma špičkovú vedu a technológiu, ktorá ľuďom umožní okupovať Mars

Odporúčania redaktorov

• Kozmologické dochádzanie: Zložitá logistika umiestňovania ľudí na Mars
• Zdokonaľovanie pohonu: Ako dostaneme ľudí na Mars
• Hrady z piesku: Ako vytvoríme biotopy s marťanskou pôdou
• Zber hydratácie: Ako budú budúci osadníci vytvárať a zbierať vodu na Marse
• Astropoľnohospodárstvo: Ako budeme pestovať plodiny na Marse