พลังงานนอกโลก: เราจะสร้างพลังงานบนดาวอังคารได้อย่างไร

การตั้งถิ่นฐานของมนุษย์บนดาวอังคารจะมาพร้อมกับความท้าทายมากมาย ซึ่งหลายอย่างเชื่อมโยงกับความต้องการที่สำคัญประการหนึ่ง: พลัง ไม่ว่าจะเป็นสำหรับ สร้างออกซิเจนการขับรถโรเวอร์ การให้ความร้อนและแสงสว่าง หรือการสื่อสาร ผู้อยู่อาศัยบนดาวอังคารในอนาคตจะต้องใช้ไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องเพื่อให้พวกเขาปลอดภัยและทำให้ภารกิจดำเนินต่อไปได้

แม้ว่าบนดาวอังคารจะไม่มีกริดไฟฟ้า และการแก้ปัญหาในปัจจุบันก็พาเราไปได้ไกลเท่านั้น โรงไฟฟ้านอกโลกแห่งแรกจะมีหน้าตาเป็นอย่างไร? เราได้ติดต่อกับคนสองคนที่ทำงานในระบบพลังงานอวกาศที่ทันสมัยในสองหน่วยงานที่แตกต่างกันเพื่อหาคำตอบ

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของ ชีวิตบนดาวอังคาร — ซีรีส์ 10 ตอนที่สำรวจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีล้ำสมัยที่จะช่วยให้มนุษย์สามารถยึดครองดาวอังคารได้

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในอวกาศ

แผนการของ NASA สำหรับอนาคตของการผลิตไฟฟ้านั้นรวมถึงระบบนิวเคลียร์ฟิชชั่น ซึ่งอะตอมของยูเรเนียมจะถูกแยกออกภายในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อสร้างความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับระบบไอโซโทปรังสี (RTG) ที่รถสำรวจพลังงานเช่น Perseverance ระบบฟิชชันสามารถ

ผลิตพลังงานได้มากขึ้น ในขณะที่ยังคงอยู่ในขนาดที่เล็ก

ในเดือนมีนาคม 2018 โครงการ Kilopower ของหน่วยงานได้สาธิตการทดลองฟิชชันที่สามารถผลิตพลังงานได้ 1 กิโลวัตต์ ซึ่งสามารถใช้เป็นพื้นฐานสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ในอวกาศในอนาคต การทดลองนี้มีชื่อเล่นว่า KRUSTY ตามชื่อเครื่องปฏิกรณ์ Kilopower โดยใช้เทคโนโลยีสเตอร์ลิง ใช้พลังงานจากแกนกลางของยูเรเนียม-235 ซึ่ง นาซาอธิบาย เป็น "ขนาดประมาณม้วนกระดาษเช็ดมือ" สิ่งนี้สร้างความร้อนซึ่งถูกแปลงเป็นไฟฟ้าผ่านกลไกที่เรียกว่าเครื่องยนต์สเตอร์ลิง

ระบบไฟฟ้าพื้นผิวฟิชชันในอนาคตจะมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา และสามารถทำงานได้อย่างน้อย 10 ปี ทำให้แนวคิดนี้เหมาะสำหรับภารกิจในอนาคตไปยังดวงจันทร์และดาวอังคารในที่สุด

ปีที่แล้ว NASA และ Department of Energy ได้เชิญแนวคิดจากภาคอุตสาหกรรมสำหรับระบบขนาด 10 กิโลวัตต์ หน่วยดังกล่าวสี่หรือห้าหน่วยสามารถให้พลังงานกับที่อยู่อาศัยของดาวอังคารด้วยสิ่งที่เกี่ยวข้อง เช่น การผลิตออกซิเจนสำหรับจรวด จรวดขับดันรวมทั้งตอบสนองความต้องการของนักบินอวกาศสามถึงสี่คนซึ่งคาดว่าจะต้องใช้ทั้งหมดประมาณ 40กิโลวัตต์.

Dionne Hernandez-Lugo เป็นผู้จัดการโครงการของ Kilopower และปัจจุบันเป็นรองผู้จัดการโครงการสำหรับพลังงานพื้นผิวฟิชชันของ NASA การสาธิตเทคโนโลยีดวงจันทร์ และเธอบอกกับ Digital Trends ว่าพวกเขาตั้งใจที่จะทดสอบหน่วยแรกบนดวงจันทร์ภายในปีหน้า ทศวรรษ.

“แนวคิดคือการสาธิตระบบครั้งแรกบนดวงจันทร์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ Artemis” เธอกล่าว “โครงการของเรากำลังมองหาการพัฒนาระบบขนาด 10 กิโลวัตต์และทำการสาธิตครั้งแรกบนดวงจันทร์ นั่นจะช่วยให้เราเข้าใจระบบ” หลังจากนี้ การปรับเปลี่ยนการออกแบบที่จำเป็นใดๆ สามารถทำได้ และสามารถนำไปใช้ในภารกิจสู่ดาวอังคารในอนาคตได้

แผนสำหรับการทดสอบครั้งแรกบนดวงจันทร์คือให้หน่วยพลังงานอยู่ภายในยานลงจอดบนดวงจันทร์ การทิ้งเครื่องไว้ในยานลงจอด “ช่วยให้ระบบทำงานได้ง่ายขึ้น แทนที่จะต้องรับมวลสารพิเศษที่อนุญาตให้นำออกได้” เธออธิบาย นั่นคือสิ่งที่ทีมของเธอกำลังดำเนินการอยู่ แต่พวกเขายังหวังว่าจะได้เห็นแนวคิดจากภาคอุตสาหกรรมว่าระบบที่ถอดออกได้สามารถทำงานได้อย่างไร “ตอนนี้ ความคิดในกลุ่มของเราคือการออกจากระบบภายในยานลงจอด” เธอกล่าว “แต่มีนวัตกรรมมากมายออกมา และในเวลานี้ เรากำลังแสวงหานวัตกรรมเหล่านั้นจากภาคอุตสาหกรรม เพื่อดูทางเลือกอื่นๆ ที่พวกเขามี”

การศึกษาภายในของ NASA ประมาณว่าแต่ละหน่วย 10 กิโลวัตต์จะสูงประมาณหกเมตร (19.6 ฟุต) และกว้างกว่าสองเมตร (6.5 ฟุต) แม้ว่ารายละเอียดที่แน่นอนจะขึ้นอยู่กับการออกแบบขั้นสุดท้าย ภาพแนวคิด (ด้านบน) ที่ผลิตโดย NASA แสดงหน่วยดังกล่าวสี่หน่วยที่เชื่อมต่อกันบนพื้นผิวของดาวอังคารเพื่อให้พลังงานสำหรับฐานที่นั่น ดังนั้นคุณจึงสามารถจินตนาการได้ว่าโรงไฟฟ้าบนดาวอังคารจะมีลักษณะอย่างไร

ความปลอดภัยของพลังงานนิวเคลียร์

ปัจจัยหนึ่งที่ผู้คนมักกังวลเมื่อต้องใช้พลังงานนิวเคลียร์บนโลกคือความปลอดภัย และนั่นก็มีผลกับภารกิจในอวกาศด้วย ธาตุกัมมันตภาพรังสีที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เช่น ยูเรเนียมที่ใช้ในการสาธิต Kilopower ปล่อยรังสีที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์และยังทำให้เกิดปัญหากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ใกล้เคียงอีกด้วย อุปกรณ์.

เพื่อให้ทั้งผู้คนและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ปลอดภัย ระบบพลังงานฟิชชันจึงถูกล้อมรอบด้วยเกราะป้องกันโลหะหนาซึ่งมีรังสีอยู่ ระบบไฟฟ้าใหม่สำหรับภารกิจดาวอังคารจะต้องผ่านการทดสอบอย่างครอบคลุมบนโลกเพื่อให้แน่ใจ ปลอดภัยแม้ในสภาวะที่รุนแรง เช่น การทดสอบการปฏิบัติงาน การทดสอบสุญญากาศ และการสั่นสะเทือน การทดสอบ

Hernandez-Lugo ชี้ให้เห็นว่า NASA ได้เปิดตัวภารกิจไปแล้วกว่า 20 ภารกิจในอดีตซึ่งใช้ประเภทต่างๆ ระบบพลังงานนิวเคลียร์ “ดังนั้น NASA จึงมีความเชี่ยวชาญและพื้นฐานในการส่งระบบพลังงานนิวเคลียร์ไปยังดวงจันทร์และ ดาวอังคาร”

นอกจากนี้ยังมีข้อกังวลเกี่ยวกับการใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงในระบบไฟฟ้า ซึ่งเป็นสิ่งที่การสาธิต Kilopower ใช้ วัตถุดิบนี้ยังสามารถนำมาใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ได้อีกด้วย ผู้นำทางการเมืองบางคนกังวล การใช้มันในโครงการอวกาศอาจกระตุ้นให้เกิดการแพร่กระจายบนโลก

เพื่อแก้ไขข้อกังวลเหล่านี้ ระบบฟิชชันบนพื้นผิวในอนาคตอาจใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำแทน ซึ่งใช้กันทั่วไปในเครื่องปฏิกรณ์พลังงานบนโลกและไม่ใช่เกรดอาวุธ “การออกแบบยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำนั้นน่าดึงดูดใจมากจากมุมมองของกฎระเบียบที่ลดลงและ การปฏิบัติตามคำสั่งนโยบายนิวเคลียร์อวกาศแห่งชาติเมื่อเร็ว ๆ นี้” Hernandez-Lugo เขียนในการติดตามผล อีเมล. “การใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงยังคงเป็นไปได้หากภารกิจมีความจำเป็น”

เดอะ คำสั่งนโยบายอวกาศล่าสุดซึ่งเผยแพร่โดยทำเนียบขาวเมื่อเดือนธันวาคมปีที่แล้ว อนุญาตให้ใช้เฉพาะยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงเท่านั้น หากได้รับการอนุมัติจากหน่วยงานต่างๆ ของรัฐบาล และสามารถแสดงให้เห็นว่าเป็นวิธีเดียวที่จะทำให้สำเร็จ ภารกิจ.

พลังงานจากแสงอาทิตย์

พลังงานนิวเคลียร์ไม่ใช่ทางเลือกเดียวสำหรับการผลิตไฟฟ้า แต่หนึ่งในตัวเลือกพลังงานที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับภารกิจในอวกาศตอนนี้คือพลังงานแสงอาทิตย์ องค์การอวกาศยุโรป (ESA) ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในการปฏิบัติภารกิจเกือบทั้งหมด และยานสำรวจดาวอังคารที่กำลังจะมาถึงซึ่งมีชื่อว่าโรซาลินด์ แฟรงคลิน ก็จะใช้พลังงานแสงอาทิตย์เช่นกัน

Leopold Summerer หัวหน้าทีมแนวคิดขั้นสูงของ ESA ซึ่งเป็นผู้วิจัยเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่สำหรับภารกิจอวกาศ เทรนด์ดิจิทัลในอีเมลที่ระบุว่าพลังงานแสงอาทิตย์มีข้อได้เปรียบเหนือพลังงานนิวเคลียร์เนื่องจากไม่ต้องการความปลอดภัยเพิ่มเติม มาตรการ นอกจากนี้เขายังชี้ให้เห็นว่าการใช้เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์บนโลกอย่างกว้างขวางหมายถึงการพัฒนาอย่างต่อเนื่องซึ่งสามารถนำไปใช้กับอวกาศได้ พันธกิจ: “พลังงานแสงอาทิตย์เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาอย่างรวดเร็ว นำเสนอการใช้งานที่ง่าย เข้าถึงได้ และมีวุฒิภาวะสูง นอกเหนือจากการนำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างเต็มที่” เขา พูดว่า.

อัตราการพัฒนาที่รวดเร็วนี้หมายความว่าวิศวกรกำลังออกแบบแผงที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้มากขึ้นจาก ปริมาณแสงแดดเท่าเดิม และ Summerer คาดว่าระบบสุริยะในอนาคตจะยังคงได้รับมากขึ้น มีประสิทธิภาพ.

Summerer กล่าวว่า "ในอวกาศ ประสิทธิภาพมีความสำคัญมากกว่าภาคพื้นดิน และเรากำลังผลักดันสิ่งที่เป็นไปได้ทางเทคนิคอย่างต่อเนื่อง" การเพิ่มประสิทธิภาพและมวลของเซลล์แสงอาทิตย์ที่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยสามารถสร้างความแตกต่างอย่างมากในต้นทุนรวมของระบบสุริยะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับยานขนาดเล็ก เช่น ดาวเทียม

แต่เช่นเดียวกับเทคโนโลยีทั้งหมด มีข้อ จำกัด ในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ Summerer กล่าวว่า “มันมีข้อเสียคือการพึ่งพาแหล่งภายนอก แสงแดด และข้อเสียทั้งหมดที่มาพร้อมกับมัน” Summerer กล่าว ในหลาย ๆ สถานการณ์ พลังงานจากดวงอาทิตย์จะเกิดขึ้นเป็นช่วง ๆ เท่านั้น บนโลกที่มีวัฏจักรของกลางวันและกลางคืน สามารถใช้แบตเตอรี่เพื่อเก็บพลังงานส่วนเกินในระหว่างวันและจ่ายไฟต่อไปในตอนกลางคืน แต่นี่เป็นการเพิ่มองค์ประกอบขนาดใหญ่อื่นให้กับระบบไฟฟ้ารวมถึงความซับซ้อนเพิ่มเติม

ทางออกแห่งอนาคตสำหรับปัญหานี้ที่กำลังพิจารณาอยู่คือการพัฒนา โคจรรอบโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งสามารถทำงานควบคู่กับแผงพลังงานแสงอาทิตย์บนพื้นผิวเพื่อรวบรวมพลังงานจากดวงอาทิตย์และส่งพลังงานลงสู่พื้นผิวแบบไร้สาย อีเอสเออยู่ในขณะนี้ แสวงหาแนวคิด เพื่อให้ความคิดนี้เป็นจริง

แสงแดดบนดาวอังคาร

เมื่อพูดถึงดาวอังคารโดยเฉพาะ มีความท้าทายบางประการเกี่ยวกับการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ เนื่องจากอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์มากกว่าโลก จึงมีแสงแดดส่องถึงพื้นผิวดาวเคราะห์น้อยลง นั่นหมายความว่านักสำรวจบนดาวอังคารจะสามารถเข้าถึงการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ได้ประมาณครึ่งหนึ่งของปริมาณรังสีที่พวกเขาได้รับบนโลก

นั่นไม่ได้หมายความว่าการใช้พลังงานแสงอาทิตย์บนดาวอังคารจะเป็นไปไม่ได้ เพียงแต่ว่าภารกิจต่างๆ จะต้องระมัดระวังในการใช้พลังงานเป็นอย่างมาก ยานสำรวจดาวอังคารรุ่นก่อนหน้าของ NASA รุ่น Spirit and Opportunity ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ และวงโคจรปัจจุบันอย่าง Mars Express และ Mars Orbiter Mission ก็ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เช่นกัน

อย่างไรก็ตาม มีปัญหาอื่นบนดาวอังคาร: พายุฝุ่น. ดาวอังคารมีระบบสภาพอากาศที่ซับซ้อน ซึ่งบางครั้งส่งผลให้เกิดพายุฝุ่นขนาดใหญ่ทั่วโลก ซึ่งจะปิดกั้นชั่วคราว แสงจากดวงอาทิตย์จำนวนมากและปกคลุมเกือบทุกอย่างบนโลกด้วยชั้นฝุ่น รวมทั้งแสงอาทิตย์ แผง นั่นคือสิ่งที่ทำให้รถแลนด์โรเวอร์ Opportunity ที่มีอายุการใช้งานยาวนานอย่างเหลือเชื่อต้องดับมืดลงในที่สุด เมื่อพายุฝุ่นลูกใหญ่เคลื่อนตัวไปทั่วโลกในปี 2018

Summerer คิดว่าการรวมโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบพื้นผิวและวงโคจรเข้าด้วยกัน คุณอาจสามารถผลิตพลังงานได้เพียงพอสำหรับที่อยู่อาศัยของมนุษย์ แต่เขายังรับทราบถึงคุณค่าในการรวมพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับแหล่งพลังงานอื่นๆ เช่น นิวเคลียร์ “พลังงานแสงอาทิตย์บนพื้นผิวและเสริมจากวงโคจรในท้ายที่สุดสามารถให้พลังงานเพียงพอสำหรับที่อยู่อาศัยของมนุษย์บนดาวอังคาร แต่จากการแสดงโดยยานสำรวจล่าสุด เช่น เนื่องจากความอุตสาหะที่เพิ่งลงจอด บางครั้งแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ขนาดเล็กก็สร้างความได้เปรียบในการแข่งขันครั้งใหญ่ ซึ่งผมคาดหวังว่าสิ่งเหล่านี้จะมีบทบาทด้วย” เขา เขียน.

เลือกแหล่งพลังงานที่เหมาะสมสำหรับภารกิจ

เฮอร์นันเดซ-ลูโกเห็นพ้องกันว่าระบบพลังงานทุกประเภทสำหรับภารกิจบนดาวอังคารมีมูลค่าที่เป็นไปได้ รวมทั้งพลังงานแสงอาทิตย์ แบตเตอรี่ และนิวเคลียร์ “ระบบไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับภารกิจเฉพาะ” เธอกล่าว Glenn Research Center ของ NASA ที่เธอทำงานอยู่ เป็นศูนย์พัฒนาพลังงานสำหรับ NASA และดำเนินการวิจัยในวงกว้าง ตัวเลือกพลังงานที่หลากหลาย รวมถึงแบตเตอรี่ เซลล์แสงอาทิตย์ ระบบไอโซโทปวิทยุ ระบบไฟฟ้าฟิชชัน และเชื้อเพลิงหมุนเวียน เซลล์. กุญแจสำคัญคือการเลือกแหล่งพลังงานที่เหมาะสมสำหรับความต้องการของภารกิจ โดยพิจารณาจากทรัพยากรที่มีอยู่

ระบบนิวเคลียร์มีข้อได้เปรียบที่แตกต่างกันสำหรับภารกิจการอยู่อาศัยของมนุษย์ ประการแรก เมื่อคุณต้องการออกแบบระบบไฟฟ้าเพื่อใช้ทั้งบนดวงจันทร์และบนดาวอังคาร อย่างที่ NASA ทำ คุณต้องจัดการกับความมืดเป็นเวลานานสองสัปดาห์บนดวงจันทร์

“เมื่อคุณเริ่มคิดว่าคุณจะออกแบบสถาปัตยกรรมภารกิจที่ช่วยให้คุณมีพลังงานคงที่ได้อย่างไร เมื่อนั้นนิวเคลียร์ก็เข้ามามีบทบาท” เธอกล่าว “เพราะคุณต้องการระบบที่เชื่อถือได้ซึ่งจะให้พลังงานอย่างต่อเนื่องระหว่างการทำงานตอนกลางคืน”

สำหรับดาวอังคาร การสร้างพลังงานอย่างต่อเนื่องก็มีความสำคัญเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อความปลอดภัยของนักบินอวกาศที่อาศัยอยู่ที่นั่น คุณต้องการระบบไฟฟ้าที่จะทำงานต่อไปได้ในทุกสภาพอากาศ แม้กระทั่งในช่วงที่มีระบบฝุ่นละออง และพลังงานนิวเคลียร์สามารถจัดหาสิ่งนั้นได้

Hernandez-Lugo ยังชี้ด้วยว่าภารกิจของ NASA ไปยังดาวอังคารในปัจจุบัน เช่น Mars 2020 ใช้ทั้งแสงอาทิตย์ กำลังสำหรับเฮลิคอปเตอร์ Ingenuity และพลังงานนิวเคลียร์สำหรับรถสำรวจ Perseverance เพื่อให้เหมาะกับความต้องการเฉพาะของ ภารกิจ.

“ในเวลานี้ ภายในหน่วยงาน พวกเขากำลังมองหาระบบพลังงานที่แตกต่างกันทั้งหมดเพื่อให้พร้อมใช้งานในภารกิจต่างๆ เช่น ดวงจันทร์และดาวอังคาร” เธอกล่าว “จึงมีที่สำหรับระบบไฟฟ้าทั้งหมด”

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของ ชีวิตบนดาวอังคาร — ซีรีส์ 10 ตอนที่สำรวจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีล้ำสมัยที่จะช่วยให้มนุษย์สามารถยึดครองดาวอังคารได้

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• การเดินทางของจักรวาลวิทยา: การขนส่งที่ยุ่งยากในการส่งผู้คนไปยังดาวอังคาร
• การขับเคลื่อนที่สมบูรณ์แบบ: เราจะพามนุษย์ไปดาวอังคารได้อย่างไร
• ปราสาทที่ทำจากทราย: เราจะสร้างที่อยู่อาศัยด้วยดินบนดาวอังคารได้อย่างไร
• การเก็บเกี่ยวความชุ่มชื้น: ผู้ตั้งถิ่นฐานในอนาคตจะสร้างและเก็บน้ำบนดาวอังคารได้อย่างไร
• Astroagriculture: เราจะปลูกพืชบนดาวอังคารได้อย่างไร