Nezemeljska energija: Kako bomo proizvajali energijo na Marsu

Vzpostavitev človeške prisotnosti na Marsu bo prinesla ogromno izzivov, od katerih so številni povezani z eno bistveno zahtevo: močjo. Ali gre za ustvarjanje kisika, vožnjo roverjev, zagotavljanje toplote in svetlobe ali komunikacije, bodo prihodnji prebivalci Marsa potrebovali stalno oskrbo z elektriko, da bodo varni in da bo misija delovala.

Vendar na Marsu ni električnega omrežja in trenutne rešitve nas lahko pripeljejo le tako daleč. Kako bo torej izgledala prva elektrarna zunaj planeta? Stopili smo v stik z dvema osebama, ki delata na vrhu vesoljskih energetskih sistemov v dveh različnih agencijah, da bi izvedeli.

Ta članek je del Življenje na Marsu — 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars

Jedrski reaktorji v vesolju

Nasini načrti za prihodnost proizvodnje električne energije vključujejo jedrske cepitvene sisteme, v katerih se atomi urana cepijo v reaktorju za ustvarjanje toplote. V primerjavi z radioizotopnimi sistemi (RTG), ki jih poganjajo roverji, kot je Perseverance, lahko fisijski sistemi

proizvajajo več moči medtem ko je še vedno majhna.

Marca 2018 je projekt agencije Kilopower pokazal cepitveni poskus, ki lahko proizvede 1 kilovat moči, ki bi se lahko uporabil kot osnova za prihodnje vesoljske reaktorje. Eksperiment z vzdevkom KRUSTY po reaktorju Kilopower Using Stirling TechnologY je poganjal jedro iz urana-235, ki je NASA je opisala kot "približno velikosti zvitka papirnate brisače." Pri tem je nastala toplota, ki se je nato pretvorila v elektriko prek mehanizma, imenovanega Stirlingov motor.

Prihodnji fisijski površinski elektroenergetski sistem bo majhen in lahek ter bo lahko deloval vsaj 10 let. Zaradi tega je koncept idealen za prihodnje misije na Luno in sčasoma na Mars.

Lani je NASA skupaj z Ministrstvom za energijo pozvala industrijo k zamislim za 10-kilovatni sistem. Štiri ali pet takšnih enot bi lahko napajalo habitat Marsa z vsem, kar vključuje - kot je proizvodnja kisika za raketo pogonskega goriva ter zadovoljevanje potreb treh do štirih astronavtov, kar naj bi po ocenah skupaj zahtevalo približno 40 kilovatov.

Dionne Hernandez-Lugo je bila vodja projekta za Kilopower in je zdaj namestnica vodje projekta za Nasino fisijsko površinsko moč predstavitev lunarne tehnologije, za Digital Trends pa je povedala, da nameravajo prvo enoto na Luni preizkusiti v naslednjem desetletje.

"Ideja je, da bi sistem najprej prikazali na Luni kot del programa Artemis," je dejala. »Naš projekt si prizadeva za razvoj 10-kilovatnega sistema in prvo predstavitev na Luni. To bi nam pomagalo razumeti sistem." Po tem bi lahko naredili vse potrebne spremembe načrta in ga lahko uporabili v prihodnjih misijah na Mars.

Načrt za prvi preizkus na Luni je, da pogonska enota ostane znotraj luninega pristajalnika. Če enoto pustite v pristajalnem modulu, "pomaga pri lažjem delovanju sistema, namesto da bi vzeli dodatno maso, ki bi omogočila odstranitev," je pojasnila. To je tisto, na čemer dela njena ekipa. Upajo pa tudi, da bodo videli ideje iz industrije o tem, kako bi lahko deloval tudi odstranljiv sistem. "Znotraj naše skupine je ideja trenutno pustiti sistem znotraj pristajalne naprave," je dejala. "Vendar je tam zunaj veliko inovacij in trenutno iščemo te inovacije v industriji, da bi videli druge možnosti, ki bi jih imela."

Notranja NASA-ina študija je ocenila, da bo vsaka 10-kilovatna enota visoka približno šest metrov (19,6 čevljev) in široka več kot dva metra (6,5 čevljev), čeprav bodo natančne podrobnosti odvisne od končne zasnove. Konceptna slika (zgoraj), ki jo je izdelala NASA, prikazuje štiri takšne enote, povezane skupaj na površju Marsa, ki zagotavljajo energijo za tamkajšnjo bazo, tako da si lahko predstavljate, kako bi lahko izgledala marsovska elektrarna.

Varnost jedrske energije

Eden od dejavnikov, ki ljudi zanima, ko gre za uporabo jedrske energije na Zemlji, je varnost, kar velja tudi za vesoljske misije. Radioaktivni elementi, ki se uporabljajo v jedrskih reaktorjih, kot je uran, uporabljen v demonstraciji Kilopower, oddajajo sevanje, ki je nevarno za ljudi in lahko povzroči tudi težave z bližnjo elektroniko opremo.

Da bi bili ljudje in elektronika varni, so fisijski napajalni sistemi obdani z debelo kovinsko zaščito, ki vsebuje sevanje. Vsak nov sistem napajanja za misijo na Mars bi bil podvržen obsežnemu testiranju na Zemlji, da bi se prepričali je bil varen tudi v ekstremnih pogojih, kot so obratovalno testiranje, vakuumsko testiranje in vibracije testiranje.

Hernandez-Lugo je poudaril, da je NASA v preteklosti izstrelila že več kot 20 misij, ki so uporabljale različne vrste jedrskih energetskih sistemov, »zato ima NASA strokovno znanje in izkušnje pri izstrelitvi jedrskih energetskih sistemov na Luno in Mars."

Obstaja tudi zaskrbljenost glede uporabe visoko obogatenega urana v energetskih sistemih, kar je bilo uporabljeno v predstavitvi Kilopower. Ta material se lahko uporablja tudi za izdelavo jedrskega orožja, torej nekateri politični voditelji so zaskrbljeni da bi njegova uporaba v vesoljskih projektih lahko spodbudila njeno širjenje na Zemlji.

Da bi rešili te pomisleke, bi lahko prihodnji sistemi površinske cepitve namesto tega uporabljali nizko obogateni uran, ki se običajno uporablja v energetskih reaktorjih na Zemlji in ni primeren za orožje. »Načrti z nizko obogatenim uranom so zelo privlačni z vidika zmanjšane regulacije in skladnost z nedavnimi nacionalnimi direktivami vesoljske jedrske politike,« je zapisal Hernandez-Lugo v nadaljevanju E-naslov. "Uporaba visoko obogatenega urana je še vedno možna, če ima misija prevladujočo potrebo."

The najnovejša direktiva o vesoljski politiki, ki ga je Bela hiša objavila decembra lani, dovoljuje le uporabo visoko obogatenega urana če ga odobrijo različni državni organi in se lahko dokaže, da je to edini način za dokončanje a poslanstvo.

Energija iz sonca

Jedrska energija pa ni edina možnost za proizvodnjo električne energije: ena najpogostejših možnosti za napajanje, ki se trenutno uporablja za vesoljske misije, je sončna energija. Evropska vesoljska agencija (ESA) uporablja sončno energijo za praktično vse svoje misije in njen prihajajoči rover za Mars, imenovan Rosalind Franklin, bo prav tako deloval na sončno energijo.

Leopold Summerer, vodja skupine za napredne koncepte pri ESA, ki raziskuje nastajajoče tehnologije za vesoljske misije, je povedal Digital Trends v elektronskem sporočilu, da ima sončna energija prednost pred jedrsko energijo, ker ne potrebuje dodatne varnosti ukrepe. Poudaril je tudi, da obsežna uporaba tehnologije sončne energije na Zemlji pomeni stalen razvoj, ki ga je mogoče uporabiti v vesolju misije: "Sončna energija je hitro razvijajoča se tehnologija, ki ponuja preprosto uporabo, dostop in visoko zrelost poleg tega, da je v celoti obnovljiva," je rekel.

Ta hitra stopnja razvoja pomeni, da inženirji oblikujejo plošče, ki lahko proizvedejo še več električne energije enako količino sončne svetlobe, Summerer pa pričakuje, da bodo prihodnji sončni sistemi še naprej prejemali več učinkovito.

"V vesolju je učinkovitost še bolj pomembna kot na zemlji in nenehno si prizadevamo, kar je tehnično mogoče," je dejal Summerer. Relativno majhna povečanja učinkovitosti in mase sončnih celic lahko povzročijo veliko razliko v skupnih stroških solarnih sistemov, zlasti za manjša plovila, kot so sateliti.

Vendar kot pri vseh tehnologijah obstajajo omejitve pri uporabi sončne energije. "Ima pomanjkljivost, da je odvisen od zunanjega vira, sonca, in vseh pomanjkljivosti, ki prihajajo z njim," je dejal Summerer. V mnogih situacijah je energija iz sonca le občasna. Na planetu s ciklom dneva in noči se lahko baterije uporabijo za shranjevanje odvečne energije podnevi in ​​njeno oskrbo ponoči. Toda to sistemu doda še en zajeten element in dodatno kompleksnost.

Ena od futurističnih rešitev tega problema, ki se obravnava, je razvoj sončne elektrarne v orbiti, ki bi lahko delovala v tandemu s sončnimi elektrarnami na površini, da bi zbirala energijo sonca in jo brezžično prenašala na površje. ESA je trenutno iskanje konceptov da to idejo uresničimo.

Sončna svetloba na Marsu

Ko gre posebej za Mars, obstaja nekaj izzivov pri uporabi sončne energije. Ker je bolj oddaljena od sonca kot Zemlja, manj sončne svetlobe doseže površino planeta. To pomeni, da bodo imeli raziskovalci na Marsu dostop do približno polovice sončnega obsevanja kot na Zemlji.

To ne pomeni, da je uporaba sončne energije nemogoča na Marsu, le da morajo biti misije zelo previdne pri porabi energije. Prejšnja generacija Nasinih roverjev za Mars, Spirit in Opportunity, sta uporabljala sončno energijo, sedanji orbiterji, kot sta Mars Express in Mars Orbiter Mission, pa prav tako delujejo na sončno energijo.

Vendar pa je na Marsu še en problem: Prašna nevihta. Mars ima zapleten vremenski sistem, ki občasno povzroči velike globalne prašne nevihte, ki začasno blokirajo velik del sončne svetlobe in pokriva praktično vse na planetu s plastjo prahu – vključno s soncem plošče. To je tisto, kar je povzročilo, da je neverjetno dolgoživi rover Opportunity sčasoma zatemnil, ko je leta 2018 čez planet zajela ogromna prašna nevihta.

Summerer meni, da bi s kombiniranjem površinskih in orbitalnih sončnih elektrarn verjetno lahko proizvedli dovolj energije za človeški življenjski prostor. Priznal pa je tudi, da je kombiniranje sončne energije z drugimi viri energije, kot je jedrska energija, koristno. »Sončna energija na površini in sčasoma dopolnjena iz orbite lahko zagotovi dovolj energije za človeške habitate na Marsu, a kot so pokazali najnovejši roverji, Kot Perseverance, ki je pravkar pristal, včasih majhni jedrski viri energije zagotavljajo tako veliko konkurenčno prednost, da bi pričakoval, da bodo tudi ti igrali pomembno vlogo,« je dejal. napisal.

Izbira pravega vira energije za misijo

Hernandez-Lugo se je strinjal, da imajo vse vrste energetskih sistemov potencialno vrednost za misijo na Mars, vključno s sončno energijo, baterijami in jedrsko energijo. "Energetski sistem bo odvisen od specifične misije," je dejala. Nasin raziskovalni center Glenn, kjer dela, je center za razvoj moči za Naso in izvaja raziskave na širokem različne možnosti napajanja, vključno z baterijami, sončnimi celicami, radioizotopskimi sistemi, fisijskimi energetskimi sistemi in regenerativnim gorivom celice. Ključno je izbrati pravi vir energije za potrebe misije na podlagi razpoložljivih virov.

Obstajajo različne prednosti jedrskega sistema za misije za bivanje ljudi. Prvič, ko želite načrtovati elektroenergetski sistem za uporabo tako na Luni kot na Marsu, kot počne NASA, potem se morate ukvarjati z dvotedenskimi obdobji teme na Luni.

"Ko začnete razmišljati o tem, kako oblikovati arhitekturo misije, ki vam omogoča stalno moč, takrat pride v poštev jedrska energija," je dejala. "Ker potrebujete zanesljiv sistem, ki vam bo zagotavljal neprekinjeno napajanje med temi nočnimi operacijami."

Tudi za Mars je pomembna stalna proizvodnja energije, zlasti za varnost tam živečih astronavtov. Zagotovo želite električni sistem, ki bo deloval v vseh vremenskih razmerah, tudi med prašnim sistemom, in jedrska energija lahko to zagotovi.

Hernandez-Lugo je tudi poudaril, da trenutne Nasine misije na Mars, tako kot Mars 2020, uporabljajo kombinacijo obeh sončnih moč za helikopter Ingenuity in jedrska energija za rover Perseverance, da ustreza posebnim potrebam poslanstvo.

"Trenutno si v agenciji prizadevajo za napredek vseh različnih energetskih sistemov, da bi jih imeli na voljo na misijah, kot sta Luna in Mars," je dejala. "Torej obstaja prostor za vse energetske sisteme."

Ta članek je del Življenje na Marsu — 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars

Priporočila urednikov

• Kozmološko potovanje na delo: zapletena logistika pošiljanja ljudi na Mars
• Izpopolnjevanje pogona: Kako bomo ljudi spravili na Mars
• Gradovi iz peska: Kako bomo naredili habitate z marsovsko zemljo
• Pridobivanje hidracije: Kako bodo prihodnji naseljenci ustvarjali in zbirali vodo na Marsu
• Astrokmetijstvo: Kako bomo gojili pridelke na Marsu