Utomjordisk energi: Hur vi genererar kraft på Mars

Att skapa en mänsklig närvaro på Mars kommer att innebära ett stort antal utmaningar, av vilka många är kopplade till ett väsentligt krav: makt. Oavsett om det är för skapar syre, kör rovers, tillhandahåller värme och ljus eller kommunikationer, kommer framtida Marsbor att behöva en konstant tillförsel av elektricitet för att hålla dem säkra och hålla uppdraget igång.

Det finns dock inget elnät på Mars, och nuvarande lösningar kan bara ta oss så långt. Så hur kommer det första kraftverket utanför planeten att se ut? Vi kom i kontakt med två personer som arbetar i framkanten av rymdkraftssystem på två olika byråer för att ta reda på det.

Denna artikel är en del av Liv på Mars — en serie i 10 delar som utforskar den banbrytande vetenskapen och tekniken som gör det möjligt för människor att ockupera Mars

Kärnreaktorer i rymden

NASA: s planer för framtiden för kraftgenerering inkluderar kärnklyvningssystem, där uranatomer delas inuti en reaktor för att generera värme. Jämfört med radioisotopsystemen (RTG) som driver rovers som Perseverance, kan fissionssystem

producera mer kraft medan de fortfarande är i en liten storlek.

I mars 2018 demonstrerade myndighetens Kilopower-projekt ett fissionsexperiment som kan producera 1 kilowatt effekt, vilket kan användas som grund för framtida rymdreaktorer. Experimentet, med smeknamnet KRUSTY efter Kilopower Reactor Using Stirling TechnologiY, drevs av en kärna av uran-235 som NASA beskrev som "ungefär storleken på en pappershandduksrulle." Detta genererade värme, som sedan omvandlades till elektricitet genom en mekanism som kallas en Stirlingmotor.

Ett framtida klyvningsytkraftsystem kommer att vara litet och lätt och kan köras i minst 10 år. Det gör konceptet idealiskt för framtida uppdrag till månen och så småningom till Mars.

Förra året bjöd NASA, tillsammans med Department of Energy, in idéer från industrin för ett 10-kilowatt-system. Fyra eller fem sådana enheter kan driva en Mars-habitat med allt vad det innebär - som produktion av syre för raket drivmedel samt tillgodose behoven hos tre till fyra astronauter, vilket beräknas kräva totalt ca. 40 kilowatt.

Dionne Hernandez-Lugo var projektledare för Kilopower och är nu biträdande projektledare för NASA: s klyvningsytkraft demonstration av månteknologi, och hon sa till Digital Trends att de avser att testa den första enheten på månen inom nästa årtionde.

"Tanken är att först demonstrera systemet på månen som en del av Artemis-programmet", sa hon. "Vårt projekt tittar på att utveckla ett 10-kilowatt-system och göra den första demonstrationen på månen. Det skulle hjälpa oss att förstå systemet.” Efter detta kan alla nödvändiga designändringar göras, och det kan användas i framtida uppdrag till Mars.

Planen för det första testet på månen är att kraftenheten ska stanna inom månlandaren. Att lämna enheten i landaren "hjälper till med enklare drift av systemet snarare än att ta den extra massan som skulle möjliggöra borttagning", förklarade hon. Det är vad hennes team jobbar med. Men de hoppas också få se idéer från industrin om hur ett flyttbart system också skulle kunna fungera. "Just nu, inom vår grupp, är tanken att lämna systemet i landaren," sa hon. "Men det finns många innovationer där ute, och för närvarande söker vi dessa innovationer från industrin för att se andra alternativ som de skulle ha."

En intern NASA-studie uppskattade att varje enhet på 10 kilowatt kommer att vara cirka sex meter (19,6 fot) lång och över två meter (6,5 fot) bred, även om de exakta detaljerna skulle bero på den slutliga designen. En konceptbild (ovan) producerad av NASA visar fyra sådana enheter sammanlänkade på Mars yta för att ge kraft till en bas där, så att du kan föreställa dig hur ett kraftverk från mars kan se ut.

Kärnkraftens säkerhet

En faktor som människor tenderar att bry sig om när det gäller att använda kärnkraft på jorden är säkerhet, och det gäller även rymduppdrag. De radioaktiva grundämnena som används i kärnkraftsreaktorer, som uranet som användes i Kilopower-demonstrationen, avge strålning som är farlig för människor och som även kan orsaka problem med närliggande elektronik Utrustning.

För att hålla både människor och elektronik säkra är fissionskraftsystem omgivna av tjock metallskärm som innehåller strålningen. Varje nytt kraftsystem för ett Mars-uppdrag skulle genomgå omfattande tester på jorden för att säkerställa det var säker även under extrema förhållanden, såsom drifttestning, vakuumtestning och vibration testning.

Hernandez-Lugo påpekade att NASA redan har lanserat över 20 uppdrag i det förflutna som använde olika typer av kärnkraftssystem, "så NASA har expertis och bakgrund i att lansera kärnkraftssystem både till månen och Mars."

Det finns också en oro över användningen av höganrikat uran i kraftsystem, vilket är vad Kilopower-demonstrationen använde. Detta material kan också användas för att tillverka kärnvapen, så vissa politiska ledare är oroliga att använda den i rymdprojekt kan uppmuntra dess spridning på jorden.

För att ta itu med dessa problem kan framtida ytklyvningssystem istället använda låganrikat uran, som vanligtvis används i kraftreaktorer på jorden och inte är av vapenkvalitet. ”Designer med lågt anrikat uran är mycket attraktiva ur perspektivet av minskad reglering och efterlevnad av de senaste nationella kärnkraftspolitiska direktiven för rymd, skrev Hernandez-Lugo i en uppföljning e-post. "Användningen av höganrikat uran är fortfarande möjlig om uppdraget har ett rådande behov."

De senaste rymdpolitiska direktivet, som släpptes av Vita huset i december förra året, tillåter endast användning av höganrikat uran om det är godkänt av olika statliga organ och det kan visa sig vara det enda sättet att slutföra en uppdrag.

Energi från solen

Kärnkraft är dock inte det enda alternativet för kraftgenerering: Ett av de vanligaste kraftalternativen som används för rymduppdrag just nu är solenergi. European Space Agency (ESA) använder solenergi för praktiskt taget alla sina uppdrag, och dess kommande Mars-rover, kallad Rosalind Franklin, kommer också att drivas av solenergi.

Leopold Summerer, chef för Advanced Concepts Team på ESA som forskare på framväxande teknologier för rymduppdrag, berättade Digitala trender i ett e-postmeddelande att solenergi har en fördel framför kärnkraft genom att den inte behöver ytterligare säkerhet åtgärder. Han påpekade också att omfattande användning av solenergiteknik på jorden innebär ständig utveckling som kan tillämpas på rymden uppdrag: "Solkraft är en snabbväxande teknik som erbjuder enkel användning, åtkomst och hög mognad förutom att vara helt förnybar," han sa.

Denna snabba utveckling innebär att ingenjörer designar paneler som kan producera ännu mer elektricitet från samma mängd solljus, och Summerer förväntar sig att framtida solsystem kommer att fortsätta att få mer effektiv.

"I rymden är effektivitet ännu viktigare än på marken och vi driver hela tiden på vad som är tekniskt möjligt," sa Summerer. Relativt små ökningar av solcellers effektivitet och massa kan göra stor skillnad i den totala kostnaden för solsystem, särskilt för mindre farkoster som satelliter.

Men som all teknik finns det begränsningar för användningen av solenergi. "Det har nackdelen att vara beroende av en extern källa, solen och alla nackdelar som följer med det," sa Summerer. I många situationer är kraften från solen bara intermittent. På en planet med en dag- och nattcykel kan batterier användas för att lagra överflödig ström under dagen och fortsätta att leverera den på natten. Men detta lägger till ytterligare ett skrymmande element till kraftsystemet såväl som ett extra lager av komplexitet.

En futuristisk lösning på detta problem som övervägs är utvecklingen av kretsande solkraftverk, som skulle kunna arbeta tillsammans med solenergipaneler på ytan för att samla energi från solen och stråla ner den till ytan trådlöst. ESA är för närvarande söker koncept för att förverkliga denna idé.

Solljuset på Mars

När det kommer till Mars specifikt finns det dock vissa utmaningar med att använda solenergi. Eftersom det är längre bort från solen än jorden, når mindre solljus planetens yta. Det betyder att upptäcktsresande på Mars kommer att ha tillgång till ungefär hälften av solinstrålningen som de skulle ha på jorden.

Det betyder inte att det är omöjligt att använda solenergi på Mars, bara att uppdrag måste vara mycket försiktiga med sin energianvändning. NASA: s tidigare generation Mars-rovers, Spirit and Opportunity, använde solenergi, och nuvarande orbiters som Mars Express och Mars Orbiter Mission är också soldrivna.

Men det finns ett annat problem på Mars: Damm stormar. Mars har ett komplext vädersystem som ibland resulterar i massiva globala dammstormar som tillfälligt blockerar ut mycket av solens ljus och täcker praktiskt taget allt på planeten i ett lager av damm – inklusive solenergi paneler. Det var det som fick den otroligt långlivade Opportunity-rovern att så småningom mörkna, när en massiv dammstorm rullade över planeten 2018.

Summerer tror att genom att kombinera solkraftverk på ytan och omloppsbanan kan du förmodligen generera tillräckligt med ström för en mänsklig livsmiljö. Men han erkände också att det finns ett värde i att kombinera solenergi med andra kraftkällor som kärnkraft. "Solkraft på ytan och så småningom kompletterad från omloppsbana kan ge tillräckligt med kraft för mänskliga livsmiljöer på Mars, men som demonstrerats av de senaste rovers, t.ex. som uthållighet som just landat, ibland ger små kärnkraftskällor en så stor konkurrensfördel att jag förväntar mig att dessa också spelar en roll, säger han. skrev.

Att välja rätt strömkälla för uppdraget

Hernandez-Lugo instämde att det finns potentiellt värde i alla typer av kraftsystem för ett Mars-uppdrag, inklusive solenergi, batterier och kärnkraft. "Strömsystemet kommer att bero på det specifika uppdraget," sa hon. NASA: s Glenn Research Center, där hon arbetar, är kraftutvecklingscentrum för NASA och bedriver forskning inom ett brett olika kraftalternativ, inklusive batterier, solceller, radioisotopsystem, fissionskraftsystem och regenerativt bränsle celler. Nyckeln är att välja rätt kraftkälla för uppdragets behov, baserat på tillgängliga resurser.

Det finns tydliga fördelar med ett kärnkraftssystem för mänskliga bostadsuppdrag. För det första, när du vill designa ett kraftsystem för användning både på månen och på Mars, som NASA gör, måste du ta itu med de två veckor långa perioderna av mörker på månen.

"När du börjar tänka på hur du designar en uppdragsarkitektur som låter dig ha konstant kraft, då är det då kärnkraft kommer in i bilden," sa hon. "För att du behöver ett pålitligt system som ger dig kontinuerlig kraft under dessa nattoperationer."

För Mars är kontinuerlig kraftgenerering också viktig, särskilt för säkerheten för astronauter som bor där. Du vill definitivt ha ett kraftsystem som fortsätter att fungera i alla väderförhållanden, även under ett dammsystem, och kärnkraft kan ge det.

Hernandez-Lugo påpekade också att nuvarande NASA-uppdrag till Mars, som Mars 2020, använder en kombination av både solenergi kraft för Ingenuity-helikoptern och kärnkraft för Perseverance-rovern, för att passa de särskilda behoven hos uppdrag.

"Vid den här tiden, inom byrån, tittar de på att utveckla alla olika kraftsystem för att ha dem tillgängliga på uppdrag som månen och Mars," sa hon. "Så det finns en plats för alla kraftsystem."

Denna artikel är en del av Liv på Mars — en serie i 10 delar som utforskar den banbrytande vetenskapen och tekniken som gör det möjligt för människor att ockupera Mars

Redaktörens rekommendationer

• En kosmologisk pendling: Den knepiga logistiken att sätta människor på Mars
• Perfekt framdrivning: Hur vi får människor till Mars
• Slott gjorda av sand: Hur vi skapar livsmiljöer med marsjord
• Skörda hydrering: Hur framtida bosättare kommer att skapa och samla vatten på Mars
• Astroagriculture: Hur vi odlar grödor på Mars