พลังงานนอกโลก: เราจะสร้างพลังงานบนดาวอังคารได้อย่างไร

การปรากฏตัวของมนุษย์บนดาวอังคารจะมาพร้อมกับความท้าทายมากมาย ซึ่งหลายความท้าทายเชื่อมโยงกับข้อกำหนดสำคัญประการหนึ่ง นั่นก็คือ พลังงาน ไม่ว่าจะเป็นเพื่อ สร้างออกซิเจนการขับรถโรเวอร์ การให้ความร้อนและแสงสว่าง หรือการสื่อสาร ผู้อยู่อาศัยบนดาวอังคารในอนาคตจะต้องการไฟฟ้าที่สม่ำเสมอเพื่อให้พวกเขาปลอดภัยและปฏิบัติภารกิจต่อไป

อย่างไรก็ตาม บนดาวอังคารไม่มีโครงข่ายไฟฟ้า และแนวทางแก้ไขในปัจจุบันก็พาเราไปไกลได้เท่านั้น แล้วโรงไฟฟ้านอกโลกแห่งแรกจะหน้าตาเป็นอย่างไร? เราได้ติดต่อกับคนสองคนที่ทำงานที่ล้ำหน้าของระบบพลังงานอวกาศในหน่วยงานที่แตกต่างกันสองแห่งเพื่อค้นหาคำตอบ

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของ ชีวิตบนดาวอังคาร — ซีรีส์ 10 ตอนที่สำรวจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีล้ำสมัยที่จะช่วยให้มนุษย์ครอบครองดาวอังคาร

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในอวกาศ

แผนการของ NASA สำหรับอนาคตของการผลิตพลังงาน ได้แก่ ระบบนิวเคลียร์ฟิชชัน ซึ่งอะตอมของยูเรเนียมจะถูกแยกออกภายในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อสร้างความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับระบบไอโซโทปรังสี (RTG) ที่พาวเวอร์โรเวอร์อย่าง Perseverance ระบบฟิชชันสามารถทำได้

ผลิตพลังงานได้มากขึ้น ในขณะที่ยังอยู่ในขนาดที่เล็ก

ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2561 โครงการกิโลพาวเวอร์ของหน่วยงานได้สาธิตการทดลองฟิชชันที่สามารถผลิตพลังงานได้ 1 กิโลวัตต์ ซึ่งสามารถใช้เป็นพื้นฐานสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ในอวกาศในอนาคต การทดลองนี้มีชื่อเล่นว่า KRUSTY ตามชื่อเครื่องปฏิกรณ์กิโลพาวเวอร์ที่ใช้เทคโนโลยีสเตอร์ลิง โดยใช้พลังงานจากแกนกลางของยูเรเนียม-235 ซึ่ง นาซ่าอธิบาย “ขนาดประมาณม้วนกระดาษชำระ” สิ่งนี้ทำให้เกิดความร้อน ซึ่งต่อมาถูกแปลงเป็นไฟฟ้าผ่านกลไกที่เรียกว่าเครื่องยนต์สเตอร์ลิง

ระบบพลังงานผิวฟิชชันในอนาคตจะมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา และสามารถทำงานได้อย่างน้อย 10 ปี นั่นทำให้แนวคิดนี้เหมาะสำหรับภารกิจในอนาคตไปยังดวงจันทร์และไปยังดาวอังคารในที่สุด

เมื่อปีที่แล้ว NASA พร้อมด้วยกระทรวงพลังงานได้เชิญแนวคิดจากอุตสาหกรรมสำหรับระบบ 10 กิโลวัตต์ หน่วยดังกล่าวสี่หรือห้าหน่วยสามารถจ่ายพลังงานให้กับที่อยู่อาศัยของดาวอังคารได้ โดยทุกอย่างที่เกี่ยวข้อง เช่น การผลิตออกซิเจนสำหรับจรวด จรวดและสนองความต้องการของนักบินอวกาศ 3-4 คน ซึ่งคาดว่าจะต้องใช้ทั้งหมดประมาณ 40 กิโลวัตต์.

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

“แนวคิดคือการสาธิตระบบนี้บนดวงจันทร์ก่อนโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการอาร์เทมิส” เธอกล่าว “โครงการของเรากำลังพัฒนาระบบขนาด 10 กิโลวัตต์และทำการสาธิตครั้งแรกบนดวงจันทร์ นั่นจะช่วยให้เราเข้าใจระบบ” หลังจากนี้ สามารถปรับเปลี่ยนการออกแบบที่จำเป็นได้ และสามารถนำมาใช้ในภารกิจไปยังดาวอังคารในอนาคตได้

แผนสำหรับการทดสอบครั้งแรกบนดวงจันทร์คือให้หน่วยพลังงานอยู่ภายในยานลงจอดบนดวงจันทร์ การปล่อยให้หน่วยลงจอด “ช่วยให้ระบบทำงานได้ง่ายขึ้น แทนที่จะรับมวลเพิ่มเติมที่สามารถเอาออกได้” เธออธิบาย นั่นคือสิ่งที่ทีมของเธอกำลังทำอยู่ แต่พวกเขายังหวังว่าจะได้เห็นแนวคิดจากอุตสาหกรรมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของระบบแบบถอดได้ด้วยเช่นกัน “ตอนนี้ ภายในกลุ่มของเรา ความคิดคือการทิ้งระบบไว้ภายในยานลงจอด” เธอกล่าว “แต่มีนวัตกรรมอยู่มากมาย และในเวลานี้ เรากำลังค้นหานวัตกรรมเหล่านั้นจากอุตสาหกรรมเพื่อดูตัวเลือกอื่น ๆ ที่พวกเขาจะมี”

การศึกษาภายในของ NASA ประมาณการว่าหน่วยขนาด 10 กิโลวัตต์แต่ละหน่วยจะสูงประมาณ 6 เมตร (19.6 ฟุต) และกว้างมากกว่า 2 เมตร (6.5 ฟุต) แม้ว่ารายละเอียดที่แน่นอนจะขึ้นอยู่กับการออกแบบขั้นสุดท้าย ภาพแนวคิด (ด้านบน) ที่ผลิตโดย NASA แสดงให้เห็นหน่วยดังกล่าวสี่หน่วยที่เชื่อมโยงกันบนพื้นผิวดาวอังคารเพื่อจ่ายพลังงานให้กับฐานที่นั่น คุณจึงจินตนาการได้ว่าโรงไฟฟ้าบนดาวอังคารอาจมีหน้าตาเป็นอย่างไร

ความปลอดภัยของพลังงานนิวเคลียร์

ปัจจัยหนึ่งที่ผู้คนมักจะกังวลเมื่อต้องใช้พลังงานนิวเคลียร์บนโลกก็คือความปลอดภัย และนั่นก็นำไปใช้กับภารกิจในอวกาศด้วย ธาตุกัมมันตภาพรังสีที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เช่น ยูเรเนียมที่ใช้ในการสาธิตกิโลพาวเวอร์ ปล่อยรังสีที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์และอาจก่อให้เกิดปัญหากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใกล้เคียงได้ อุปกรณ์.

เพื่อให้ทั้งผู้คนและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ปลอดภัย ระบบพลังงานฟิชชันจึงถูกล้อมรอบด้วยแผ่นโลหะหนาซึ่งประกอบด้วยรังสี ระบบพลังงานใหม่สำหรับภารกิจดาวอังคารจะต้องผ่านการทดสอบบนโลกอย่างละเอียดเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นเช่นนั้น ปลอดภัยแม้ภายใต้สภาวะที่รุนแรง เช่น การทดสอบการปฏิบัติงาน การทดสอบสุญญากาศ และการสั่นสะเทือน การทดสอบ

Hernandez-Lugo ชี้ให้เห็นว่า NASA ได้เปิดตัวไปแล้วกว่า 20 ภารกิจในอดีตซึ่งใช้ประเภทต่างๆ ระบบพลังงานนิวเคลียร์” ดังนั้น NASA จึงมีความเชี่ยวชาญและภูมิหลังในการปล่อยระบบพลังงานนิวเคลียร์ทั้งไปยังดวงจันทร์และ ดาวอังคาร”

นอกจากนี้ยังมีข้อกังวลเกี่ยวกับการใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงในระบบไฟฟ้า ซึ่งเป็นสิ่งที่การสาธิตกิโลพาวเวอร์ใช้ วัสดุนี้ยังสามารถนำมาใช้สร้างอาวุธนิวเคลียร์ได้อีกด้วย ผู้นำทางการเมืองบางคนมีความกังวล การใช้มันในโครงการอวกาศอาจส่งเสริมการแพร่กระจายบนโลก

เพื่อจัดการกับข้อกังวลเหล่านี้ ระบบฟิชชันพื้นผิวในอนาคตอาจใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำแทน ซึ่งมักใช้ในเครื่องปฏิกรณ์พลังงานบนโลกและไม่ใช่เกรดอาวุธ “การออกแบบยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำมีความน่าสนใจมากจากมุมมองของกฎระเบียบที่ลดลงและ การปฏิบัติตามคำสั่งนโยบายนิวเคลียร์อวกาศแห่งชาติล่าสุด” เฮอร์นันเดซ-ลูโกเขียนในการติดตามผล อีเมล. “การใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงยังคงเป็นไปได้หากภารกิจนี้มีความต้องการ”

ที่ คำสั่งนโยบายพื้นที่ล่าสุดซึ่งเผยแพร่โดยทำเนียบขาวเมื่อเดือนธันวาคมปีที่แล้ว อนุญาตให้ใช้เฉพาะยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงเท่านั้น หากได้รับการอนุมัติจากหน่วยงานของรัฐต่างๆ แล้ว แสดงว่าเป็นวิธีเดียวที่จะเสร็จสมบูรณ์ได้ ภารกิจ.

พลังงานจากแสงอาทิตย์

พลังงานนิวเคลียร์ไม่ใช่ทางเลือกเดียวสำหรับการผลิตไฟฟ้า แต่หนึ่งในตัวเลือกพลังงานที่พบบ่อยที่สุดที่ใช้สำหรับภารกิจอวกาศในขณะนี้คือพลังงานแสงอาทิตย์ องค์การอวกาศยุโรป (ESA) ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในการปฏิบัติภารกิจทั้งหมด และรถแลนด์โรเวอร์ดาวอังคารที่กำลังจะมีชื่อเรียกว่าโรซาลินด์ แฟรงคลิน ก็จะใช้พลังงานแสงอาทิตย์เช่นกัน

Leopold Summerer หัวหน้าทีมแนวคิดขั้นสูงของ ESA ซึ่งเป็นนักวิจัยเทคโนโลยีใหม่สำหรับภารกิจอวกาศกล่าว Digital Trends ในอีเมลที่ว่าพลังงานแสงอาทิตย์มีข้อได้เปรียบเหนือพลังงานนิวเคลียร์ตรงที่ไม่ต้องการความปลอดภัยเพิ่มเติม มาตรการ นอกจากนี้เขายังชี้ให้เห็นว่าการใช้เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์บนโลกอย่างกว้างขวางหมายถึงการพัฒนาอย่างต่อเนื่องซึ่งสามารถนำไปใช้กับอวกาศได้ ภารกิจ: “พลังงานแสงอาทิตย์เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาอย่างรวดเร็ว ใช้งานง่าย เข้าถึงได้ และมีอายุการใช้งานสูง นอกเหนือจากการหมุนเวียนได้อย่างสมบูรณ์” เขา พูดว่า.

อัตราการพัฒนาที่รวดเร็วนี้หมายความว่าวิศวกรกำลังออกแบบแผงที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น ปริมาณแสงอาทิตย์ที่เท่ากัน และซัมเมอร์เมอร์คาดว่าระบบสุริยะในอนาคตจะยังคงได้รับแสงอาทิตย์มากขึ้นต่อไป มีประสิทธิภาพ.

“ในอวกาศ ประสิทธิภาพมีความสำคัญมากกว่าภาคพื้นดิน และเรากำลังผลักดันสิ่งที่เป็นไปได้ในทางเทคนิคอยู่ตลอดเวลา” ซัมเมอร์เมอร์กล่าว การเพิ่มขึ้นเล็กน้อยในด้านประสิทธิภาพและมวลของเซลล์แสงอาทิตย์สามารถสร้างความแตกต่างอย่างมากให้กับต้นทุนรวมของระบบสุริยะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับยานขนาดเล็กเช่นดาวเทียม

แต่เช่นเดียวกับเทคโนโลยีอื่นๆ การใช้พลังงานแสงอาทิตย์ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน “มันมีข้อเสียตรงที่ต้องพึ่งแหล่งภายนอก ดวงอาทิตย์ และข้อเสียอื่นๆ ที่มาพร้อมกับมัน” ซัมเมอร์เมอร์กล่าว ในหลายสถานการณ์ พลังงานจากดวงอาทิตย์เกิดขึ้นเป็นระยะๆ เท่านั้น บนดาวเคราะห์ที่มีวงจรกลางวันและกลางคืน แบตเตอรี่สามารถใช้เพื่อกักเก็บพลังงานส่วนเกินในระหว่างวันและจ่ายไฟในเวลากลางคืนได้ แต่นี่เป็นการเพิ่มองค์ประกอบขนาดใหญ่อีกประการหนึ่งให้กับระบบไฟฟ้าตลอดจนความซับซ้อนเพิ่มเติมอีกชั้นหนึ่ง

วิธีแก้ปัญหาแห่งอนาคตประการหนึ่งสำหรับปัญหานี้ที่กำลังพิจารณาคือการพัฒนา ที่โคจรรอบโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งสามารถทำงานควบคู่กับแผงพลังงานแสงอาทิตย์บนพื้นผิวเพื่อรวบรวมพลังงานจากดวงอาทิตย์และส่งสัญญาณลงสู่พื้นผิวแบบไร้สาย อีเอสเอในปัจจุบัน แสวงหาแนวคิด เพื่อทำให้ความคิดนี้เป็นจริง

แสงแดดบนดาวอังคาร

เมื่อพูดถึงดาวอังคารโดยเฉพาะ การใช้พลังงานแสงอาทิตย์ยังมีความท้าทายอยู่บ้าง เนื่องจากอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์มากกว่าโลก แสงที่ส่องถึงพื้นผิวดาวเคราะห์ก็น้อยลง นั่นหมายความว่านักสำรวจบนดาวอังคารจะสามารถเข้าถึงรังสีจากดวงอาทิตย์ได้ประมาณครึ่งหนึ่งบนโลก

นั่นไม่ได้หมายความว่าการใช้พลังงานแสงอาทิตย์จะเป็นไปไม่ได้บนดาวอังคาร เพียงแต่ภารกิจนั้นจะต้องระมัดระวังในการใช้พลังงานเป็นอย่างมาก รถสำรวจดาวอังคารรุ่นก่อนหน้าของ NASA รุ่น Spirit และ Opportunity ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ และยานอวกาศในปัจจุบัน เช่น Mars Express และ Mars Orbiter Mission ก็ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เช่นกัน

อย่างไรก็ตาม ยังมีปัญหาอีกประการหนึ่งบนดาวอังคาร: พายุฝุ่น. ดาวอังคารมีระบบสภาพอากาศที่ซับซ้อนซึ่งบางครั้งส่งผลให้เกิดพายุฝุ่นขนาดมหึมาทั่วโลกและปิดกั้นไว้ชั่วคราว แสงส่วนใหญ่จากดวงอาทิตย์และปกคลุมเกือบทุกอย่างบนโลกด้วยชั้นฝุ่น – รวมถึงแสงอาทิตย์ด้วย แผง นั่นคือสิ่งที่ทำให้รถแลนด์โรเวอร์ Opportunity ที่มีอายุยืนยาวเหลือเชื่อต้องมืดลงในที่สุด เมื่อพายุฝุ่นขนาดมหึมาเคลื่อนตัวไปทั่วโลกในปี 2561

ซัมเมอร์เนอร์คิดว่าการรวมโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์บนพื้นผิวและในวงโคจรเข้าด้วยกัน คุณอาจสร้างพลังงานไฟฟ้าได้เพียงพอสำหรับที่อยู่อาศัยของมนุษย์ แต่เขายังรับทราบด้วยว่าการรวมพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับแหล่งพลังงานอื่นๆ เช่น นิวเคลียร์นั้นมีคุณค่า “พลังงานแสงอาทิตย์บนพื้นผิวและเสริมจากวงโคจรในที่สุดสามารถให้พลังงานเพียงพอสำหรับที่อยู่อาศัยของมนุษย์บนดาวอังคาร แต่ดังที่แสดงโดยรถแลนด์โรเวอร์รุ่นล่าสุด เช่น เนื่องจากความเพียรพยายามที่เพิ่งมาถึง บางครั้งแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ขนาดเล็กก็สร้างความได้เปรียบทางการแข่งขันที่ยิ่งใหญ่ ซึ่งผมคาดหวังว่าสิ่งเหล่านี้จะมีบทบาทเช่นกัน” เขา เขียน.

การเลือกแหล่งพลังงานที่เหมาะสมสำหรับภารกิจ

เฮอร์นันเดซ-ลูโกเห็นพ้องกันว่าระบบพลังงานทุกประเภทสำหรับภารกิจบนดาวอังคารนั้นมีมูลค่าที่เป็นไปได้ ซึ่งรวมถึงพลังงานแสงอาทิตย์ แบตเตอรี่ และนิวเคลียร์ “ระบบไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับภารกิจเฉพาะ” เธอกล่าว Glenn Research Center ของ NASA ซึ่งเธอทำงานอยู่ เป็นศูนย์พัฒนาพลังงานของ NASA และดำเนินการวิจัยในวงกว้าง ตัวเลือกพลังงานที่หลากหลาย รวมถึงแบตเตอรี่ เซลล์แสงอาทิตย์ ระบบไอโซโทปวิทยุ ระบบพลังงานฟิชชัน และเชื้อเพลิงที่สร้างใหม่ เซลล์. สิ่งสำคัญคือการเลือกแหล่งพลังงานที่เหมาะสมกับความต้องการของภารกิจ โดยพิจารณาจากทรัพยากรที่มีอยู่

มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนสำหรับระบบนิวเคลียร์สำหรับภารกิจการอยู่อาศัยของมนุษย์ ประการแรก เมื่อคุณต้องการออกแบบระบบไฟฟ้าเพื่อใช้ทั้งบนดวงจันทร์และบนดาวอังคาร เช่นเดียวกับที่ NASA ทำ คุณจะต้องจัดการกับความมืดมิดบนดวงจันทร์เป็นระยะเวลาสองสัปดาห์

“เมื่อคุณเริ่มคิดว่าคุณจะออกแบบสถาปัตยกรรมภารกิจที่ช่วยให้คุณมีพลังงานคงที่ได้อย่างไร นั่นคือเวลาที่นิวเคลียร์เข้ามามีบทบาท” เธอกล่าว “เพราะคุณต้องการระบบที่เชื่อถือได้ซึ่งจะให้พลังงานอย่างต่อเนื่องระหว่างปฏิบัติการกลางคืนเหล่านั้น”

สำหรับดาวอังคาร การสร้างพลังงานอย่างต่อเนื่องก็มีความสำคัญเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อความปลอดภัยของนักบินอวกาศที่อาศัยอยู่ที่นั่น แน่นอนว่าคุณต้องการระบบไฟฟ้าที่จะสามารถทำงานได้ต่อไปในทุกสภาพอากาศ แม้ในช่วงที่มีระบบฝุ่น และพลังงานนิวเคลียร์ก็สามารถให้สิ่งนั้นได้

Hernandez-Lugo ยังชี้ให้เห็นว่าภารกิจปัจจุบันของ NASA ไปยังดาวอังคาร เช่น Mars 2020 ใช้ทั้งแสงอาทิตย์ผสมกัน พลังงานสำหรับเฮลิคอปเตอร์ Ingenuity และพลังงานนิวเคลียร์สำหรับรถแลนด์โรเวอร์ Perseverance เพื่อให้เหมาะกับความต้องการเฉพาะของ ภารกิจ.

“ในเวลานี้ ภายในหน่วยงาน พวกเขากำลังมองหาการพัฒนาระบบพลังงานที่แตกต่างกันทั้งหมดเพื่อให้พร้อมใช้ในภารกิจต่างๆ เช่น ดวงจันทร์และดาวอังคาร” เธอกล่าว “ดังนั้นจึงมีที่สำหรับระบบไฟฟ้าทั้งหมด”

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของ ชีวิตบนดาวอังคาร — ซีรีส์ 10 ตอนที่สำรวจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีล้ำสมัยที่จะช่วยให้มนุษย์ครอบครองดาวอังคาร

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• การเดินทางทางจักรวาลวิทยา: โลจิสติกส์อันยุ่งยากในการส่งผู้คนไปบนดาวอังคาร
• การขับเคลื่อนที่สมบูรณ์แบบ: เราจะพามนุษย์ไปดาวอังคารได้อย่างไร
• ปราสาทที่ทำจากทราย: เราจะสร้างที่อยู่อาศัยด้วยดินดาวอังคารได้อย่างไร
• การเก็บเกี่ยวความชุ่มชื้น: ผู้ตั้งถิ่นฐานในอนาคตจะสร้างและรวบรวมน้ำบนดาวอังคารได้อย่างไร
• การเกษตรกรรมทางดาราศาสตร์: เราจะปลูกพืชบนดาวอังคารได้อย่างไร