Ванземаљска енергија: Како ћемо генерисати снагу на Марсу

Успостављање људског присуства на Марсу ће се суочити са великим бројем изазова, од којих су многи повезани са једним суштинским захтевом: снагом. Било да је за стварање кисеоника, возећи ровере, обезбеђујући топлоту и светлост или комуникације, будућим становницима Марса ће бити потребно стално снабдевање електричном енергијом како би били безбедни и мисија радила.

Међутим, на Марсу нема електричне мреже, а тренутна решења могу да нас одведу само тако далеко. Дакле, како ће изгледати прва електрана ван планете? Ступили смо у контакт са двоје људи који су радили на врхунском систему свемирске енергије у две различите агенције да бисмо сазнали.

Овај чланак је део Живот на Марсу — серија од 10 делова која истражује најсавременију науку и технологију која ће омогућити људима да заузму Марс

Нуклеарни реактори у свемиру

НАСА-ини планови за будућност производње електричне енергије укључују системе нуклеарне фисије, у којима се атоми уранијума деле унутар реактора да би се створила топлота. У поређењу са радиоизотопским системима (РТГ) које погонски ровери попут Персеверанце, фисиони системи могу

произвести више снаге док још увек остаје у малој величини.

У марту 2018. године, пројекат Килоповер агенције демонстрирао је експеримент фисије способан да произведе 1 киловат снаге, која би се могла користити као основа за будуће свемирске реакторе. Експеримент, назван КРУСТИ по Килоповер реактору који користи Стирлинг ТецхнологИ, покретао је језгро од уранијума-235 које НАСА је описала као „величине ролне папирног пешкира“. Ово је створило топлоту, која је затим претворена у електричну енергију кроз механизам који се зове Стирлингов мотор.

Будући систем за површинску енергију фисије биће мали и лаган и могао би да ради најмање 10 година. То чини концепт идеалним за будуће мисије на Месец и, на крају, на Марс.

Прошле године, НАСА је, заједно са Одељењем за енергетику, позвала идеје из индустрије за систем од 10 киловата. Четири или пет таквих јединица могло би да напаја станиште Марса са свиме што подразумева - као што је производња кисеоника за ракету погонско гориво, као и задовољавање потреба три до четири астронаута, за шта се процењује да ће укупно бити потребно око 40 киловата.

Дионне Хернандез-Луго је био менаџер пројекта за Килоповер, а сада је заменик менаџера пројекта за НАСА-ину површинску снагу фисије демонстрацију лунарне технологије, а она је за Дигитал Трендс рекла да намеравају да тестирају прву јединицу на Месецу у току следећег декада.

„Идеја је да се систем прво демонстрира на Месецу као део програма Артемис“, рекла је она. „Наш пројекат се бави развојем система од 10 киловата и извођењем прве демонстрације на Месецу. То би нам помогло да разумемо систем." Након тога, све потребне модификације дизајна могле би се извршити, и могао би се користити у будућим мисијама на Марс.

План за први тест на Месецу је да агрегат остане унутар лунарног лендера. Остављање јединице у лендеру „помаже лакшим операцијама система уместо да узима додатну масу која би омогућила уклањање“, објаснила је она. То је оно на чему њен тим ради. Али они се такође надају да ће видети идеје из индустрије о томе како би систем који се може уклонити такође могао да функционише. „Тренутно, унутар наше групе, идеја је да напустимо систем унутар лендера“, рекла је она. „Али постоји много иновација, и у овом тренутку тражимо те иновације од индустрије да бисмо видели друге опције које би они имали.

Интерна НАСА студија процијенила је да ће свака јединица од 10 киловата бити висока око шест метара (19,6 стопа) и широка преко два метра (6,5 стопа), иако ће тачни детаљи зависити од коначног дизајна. Концептна слика (горе) коју је направила НАСА приказује четири такве јединице повезане заједно на површини Марса да обезбеде снагу за базу тамо, тако да можете замислити како би могла да изгледа марсова електрана.

Безбедност нуклеарне енергије

Један фактор који људи обично брину када је у питању коришћење нуклеарне енергије на Земљи је безбедност, а то се односи и на свемирске мисије. Радиоактивни елементи који се користе у нуклеарним реакторима, попут уранијума који се користи у демонстрацијама Килоповер, емитују зрачење које је опасно за људе и које такође може да изазове проблеме са електроником у близини опрема.

Да би људи и електроника били безбедни, системи за напајање фисије су окружени дебелим металним штитом који садржи зрачење. Сваки нови систем напајања за мисију на Марс би био подвргнут опсежном тестирању на Земљи како би се уверио у то био безбедан чак и под екстремним условима, као што су оперативно тестирање, вакуумско тестирање и вибрације тестирање.

Хернандез-Луго је истакао да је НАСА у прошлости већ покренула преко 20 мисија које су користиле различите врсте нуклеарних енергетских система, „тако да НАСА има стручност и искуство у лансирању нуклеарних енергетских система и на Месец и на Марс.”

Такође постоји забринутост због употребе високо обогаћеног уранијума у ​​енергетским системима, што је користила демонстрација Килоповер. Овај материјал се такође може користити за израду нуклеарног оружја, тј забринути су неки политички лидери да би његово коришћење у свемирским пројектима могло подстаћи његово ширење на Земљи.

Да би решили ове проблеме, будући системи површинске фисије могли би да уместо тога користе ниско обогаћени уранијум, који се обично користи у енергетским реакторима на Земљи и није за оружје. „Дизајни ниско обогаћеног уранијума су веома атрактивни из перспективе смањене регулације и усклађеност са недавним директивама националне свемирске нуклеарне политике“, написао је Хернандез-Луго у наставку емаил. „Употреба високо обогаћеног уранијума је и даље могућа ако мисија има преовлађујућу потребу.

Тхе најновија директива о свемирској политици, коју је Бела кућа објавила у децембру прошле године, дозвољава само употребу високо обогаћеног уранијума ако га одобре разни државни органи и може се показати да је то једини начин да се заврши а мисија.

Енергија од сунца

Међутим, нуклеарна енергија није једина опција за производњу енергије: Једна од најчешћих опција енергије која се тренутно користи за свемирске мисије је соларна енергија. Европска свемирска агенција (ЕСА) користи соларну енергију за практично све своје мисије, а њен предстојећи Марс ровер, назван Росалинд Франклин, такође ће бити на соларни погон.

Леополд Суммерер, шеф тима за напредне концепте у ЕСА који истражује нове технологије за свемирске мисије, рекао је Дигитални трендови у е-поруци да соларна енергија има предност у односу на нуклеарну енергију јер јој није потребна додатна сигурност Мере. Такође је истакао да екстензивна употреба технологије соларне енергије на Земљи значи константан развој који се може применити на свемир мисије: „Соларна енергија је технологија која се брзо развија и нуди једноставну употребу, приступ и високу зрелост, поред тога што је потпуно обновљива“, он рекао.

Ова брза стопа развоја значи да инжењери дизајнирају панеле који могу произвести још више електричне енергије исту количину сунчеве светлости, а Самерер очекује да ће будући соларни системи наставити да добијају више ефикасан.

„У свемиру је ефикасност чак важнија него на земљи и ми константно форсирамо оно што је технички могуће“, рекао је Суммерер. Релативно мала повећања ефикасности и масе соларних ћелија могу направити велику разлику у укупним трошковима соларних система, посебно за мање летелице попут сателита.

Али као и све технологије, постоје ограничења у коришћењу соларне енергије. „Има недостатак што зависи од спољашњег извора, сунца и свих недостатака који долазе са њим“, рекао је Суммерер. У многим ситуацијама, енергија од сунца је само повремена. На планети са дневним и ноћним циклусом, батерије се могу користити за складиштење вишка енергије током дана и настављање снабдевања током ноћи. Али ово додаје још један гломазан елемент систему напајања, као и додатни слој сложености.

Једно футуристичко решење овог проблема које се разматра је развој орбиталне соларне електране, који би могао да ради у тандему са соларним панелима на површини да сакупља енергију од сунца и бежично је преноси на површину. ЕСА је тренутно тражење појмова да ову идеју претворимо у стварност.

Сунчева светлост на Марсу

Међутим, када је реч о Марсу, постоје неки изазови са коришћењем соларне енергије. Пошто је удаљенији од Сунца него што је Земља, мање сунчеве светлости допире до површине планете. То значи да ће истраживачи на Марсу имати приступ око половине сунчевог зрачења него на Земљи.

То не значи да је коришћење соларне енергије немогуће на Марсу, само да мисије морају бити веома опрезне са потрошњом енергије. НАСА-ини Марс ровери претходне генерације, Спирит и Оппортунити, користили су соларну енергију, а тренутни орбитери попут Марс Екпресса и Марс Орбитер Миссион такође су на соларни погон.

Међутим, на Марсу постоји још један проблем: Дуст стормс. Марс има сложен временски систем који повремено доводи до огромних глобалних олуја прашине, привремено блокирајући велики део сунчеве светлости и покрива практично све на планети у слоју прашине - укључујући соларну панели. То је узроковало да се невероватно дуговечни Оппортунити ровер на крају замрачи, када се огромна олуја прашине закотрљала планетом 2018.

Суммерер сматра да би комбиновањем површинских и орбиталних соларних електрана вероватно могли произвести довољно енергије за људско станиште. Али он је такође признао да постоји вредност у комбиновању соларне енергије са другим изворима енергије као што је нуклеарна. „Сунчева енергија на површини и евентуално допуњена из орбите може да обезбеди довољно енергије за људска станишта на Марсу, али као што показују најновији ровери, као што су Као што је Персеверанце који је управо слетео, понекад мали нуклеарни извори енергије пружају тако велику конкурентску предност да бих очекивао да ће и они играти улогу“, он написао.

Одабир правог извора напајања за мисију

Хернандез-Луго се сложио да постоји потенцијална вредност у свим врстама енергетских система за мисију на Марс, укључујући соларне, батерије и нуклеарне. „Енергетски систем ће зависити од специфичне мисије“, рекла је она. НАСА-ин Гленн истраживачки центар, где она ради, је центар за развој енергије за НАСА-у и врши истраживања у широком разне опције напајања, укључујући батерије, соларне ћелије, системе радио изотопа, системе за напајање фисије и регенеративно гориво ћелије. Кључно је одабрати прави извор напајања за потребе мисије, на основу расположивих ресурса.

Постоје јасне предности нуклеарног система за мисије становања људи. Прво, када желите да дизајнирате систем напајања за коришћење и на Месецу и на Марсу, као што то ради НАСА, онда морате да се носите са двонедељним периодима таме на Месецу.

„Када почнете да размишљате о томе како да дизајнирате архитектуру мисије која вам омогућава да имате сталну снагу, онда нуклеарна енергија долази у игру“, рекла је она. „Зато што вам је потребан поуздан систем који ће вам пружити континуирану снагу током тих ноћних операција.

За Марс је такође важна континуирана производња енергије, посебно за безбедност астронаута који тамо живе. Дефинитивно желите систем напајања који ће наставити да ради у свим временским условима, чак и током система прашине, а нуклеарна енергија то може да обезбеди.

Хернандез-Луго је такође истакао да тренутне НАСА мисије на Марс, попут Марса 2020, користе комбинацију оба соларна снага за хеликоптер Ингенуити и нуклеарна енергија за ровер Персеверанце, како би се задовољиле посебне потребе мисија.

„У овом тренутку, унутар агенције, они гледају на унапређење свих различитих система напајања како би били доступни у мисијама као што су Месец и Марс“, рекла је она. "Дакле, постоји место за све системе напајања."

Овај чланак је део Живот на Марсу — серија од 10 делова која истражује најсавременију науку и технологију која ће омогућити људима да заузму Марс

Препоруке уредника

• Космолошко путовање: незгодна логистика постављања људи на Марс
• Савршен погон: Како ћемо одвести људе на Марс
• Дворци од песка: Како ћемо направити станишта са марсовском земљом
• Сакупљање хидратације: Како ће будући досељеници стварати и сакупљати воду на Марсу
• Астропољопривреда: Како ћемо узгајати усеве на Марсу