Dünya Dışı Enerji: Mars'ta Nasıl Güç Üreteceğiz?

Mars'ta bir insan varlığı kurmak, çoğu tek bir temel gereksinimle bağlantılı olan çok çeşitli zorluklarla gelecek: Güç. için olsun oksijen yaratmak, gezici sürmek, ısı ve ışık sağlamak veya iletişim sağlamak için, geleceğin Mars sakinlerinin kendilerini güvende tutmak ve görevi çalışır durumda tutmak için sürekli bir elektrik kaynağına ihtiyacı olacak.

Yine de Mars'ta elektrik şebekesi yok ve mevcut çözümler bizi ancak bir yere kadar götürebilir. Peki ilk gezegen dışı enerji santrali neye benzeyecek? Öğrenmek için iki farklı kurumda uzay güç sistemlerinin en ileri noktasında çalışan iki kişiyle temasa geçtik.

Bu makalenin bir parçası Marsta yaşam — insanların Mars'ı işgal etmesine izin verecek en son bilim ve teknolojiyi araştıran 10 bölümlük bir dizi

Uzayda nükleer reaktörler

NASA'nın enerji üretiminin geleceğine yönelik planları arasında uranyum atomlarının ısı üretmek için bir reaktör içinde bölündüğü nükleer fisyon sistemleri yer alıyor. Perseverance gibi gezici araçlara güç sağlayan radyoizotop sistemlerine (RTG'ler) kıyasla, fisyon sistemleri

daha fazla güç üretmek hala küçük bir boyutta kalırken.

Mart 2018'de, ajansın Kilopower projesi, gelecekteki uzay reaktörlerinin temeli olarak kullanılabilecek 1 kilovat güç üretebilen bir fisyon deneyi gösterdi. KRUSTY takma adını Stirling Teknolojisini Kullanan Kilopower Reaktöründen alan deney, bir uranyum-235 çekirdeği ile çalıştırılıyordu. NASA açıkladı "yaklaşık bir kağıt havlu rulosu büyüklüğünde". Bu, daha sonra Stirling motoru adı verilen bir mekanizma aracılığıyla elektriğe dönüştürülen ısı üretti.

Gelecekteki bir fisyon yüzey güç sistemi küçük ve hafif olacak ve en az 10 yıl çalışabilecek. Bu, konsepti gelecekteki aya ve nihayetinde Mars'a yapılacak görevler için ideal hale getiriyor.

Geçen yıl NASA, Enerji Bakanlığı ile birlikte 10 kilovatlık bir sistem için endüstriden fikirler davet etti. Bu tür dört veya beş birim, roket için oksijen üretimi gibi, gereken her şeyle bir Mars yaşam alanına güç sağlayabilir. itici gazın yanı sıra üç ila dört astronotun ihtiyaçlarını karşılamanın yanı sıra, toplamda yaklaşık olarak gerekli olduğu tahmin edilmektedir. 40 kilovat.

Dionne Hernandez-Lugo, Kilopower'ın proje yöneticisiydi ve şimdi NASA'nın fisyon yüzey gücü proje müdür yardımcısı. ay teknolojisi gösterimi ve Digital Trends'e ilk birimi bir sonraki ay içinde ay üzerinde test etmeyi planladıklarını söyledi. on yıl.

"Fikir, Artemis programının bir parçası olarak sistemi ilk olarak ayda göstermek" dedi. "Projemiz 10 kilovatlık bir sistem geliştirmek ve ayda ilk gösteriyi yapmak. Bu, sistemi anlamamıza yardımcı olur.” Bundan sonra, gerekli herhangi bir tasarım değişikliği yapılabilir ve gelecekteki Mars görevlerinde kullanılabilir.

Ay'daki ilk testin planı, güç ünitesinin aya iniş aracı içinde kalmasıdır. Üniteyi arazi aracında bırakmak, "çıkarmaya izin verecek ekstra kütleyi almak yerine sistemin daha kolay çalıştırılmasına yardımcı olur" diye açıkladı. Ekibinin üzerinde çalıştığı şey bu. Ancak aynı zamanda çıkarılabilir bir sistemin nasıl çalışabileceği konusunda endüstriden fikirler almayı da umuyorlar. "Şu anda, grubumuzdaki fikir, sistemi iniş aracının içinde bırakmak," dedi. "Ama orada pek çok yenilik var ve şu anda sahip olabilecekleri diğer seçenekleri görmek için endüstriden bu yenilikleri arıyoruz."

Dahili bir NASA çalışması, her 10 kilovatlık birimin yaklaşık altı metre (19,6 fit) uzunluğunda ve iki metreden (6,5 fit) geniş olacağını tahmin ediyor, ancak kesin ayrıntılar nihai tasarıma bağlı olacaktır. NASA tarafından üretilen bir konsept görüntü (yukarıda), Mars yüzeyinde bir üs için güç sağlamak üzere birbirine bağlanmış bu tür dört birimi gösteriyor, böylece bir Mars elektrik santralinin nasıl görünebileceğini tasavvur edebilirsiniz.

Nükleer enerjinin güvenliği

Konu Dünya'da nükleer enerji kullanmak olduğunda insanların ilgilenme eğiliminde olduğu bir faktör güvenliktir ve bu uzay görevleri için de geçerlidir. Kilopower gösterisinde kullanılan uranyum gibi nükleer güç reaktörlerinde kullanılan radyoaktif elementler, insanlar için tehlikeli olan ve ayrıca yakındaki elektronik cihazlarda sorunlara neden olabilecek radyasyon yayar teçhizat.

Hem insanları hem de elektroniği güvende tutmak için, fisyon güç sistemleri radyasyonu içeren kalın metal kalkanla çevrilidir. Bir Mars görevi için herhangi bir yeni güç sistemi, emin olmak için Dünya üzerinde kapsamlı testlere tabi tutulacaktır. çalışma testi, vakum testi ve titreşim testi gibi aşırı koşullar altında bile güvenliydi test yapmak.

Hernandez-Lugo, NASA'nın geçmişte çeşitli tipte araçlar kullanan 20'den fazla görev başlattığına dikkat çekti. nükleer enerji sistemleri, "dolayısıyla NASA, nükleer enerji sistemlerini hem aya hem de Mars."

Kilopower gösterisinde kullanılan güç sistemlerinde yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyumun kullanılmasıyla ilgili bir endişe de var. Bu malzeme nükleer silah yapmak için de kullanılabilir, yani bazı siyasi liderler endişeli onu uzay projelerinde kullanmanın Dünya'da çoğalmasını teşvik edebileceğini.

Bu endişeleri gidermek için, gelecekteki yüzey fisyon sistemleri, bunun yerine Dünya'daki güç reaktörlerinde yaygın olarak kullanılan ve silah kalitesinde olmayan düşük düzeyde zenginleştirilmiş uranyum kullanabilir. “Düşük oranda zenginleştirilmiş uranyum tasarımları, azaltılmış düzenleme açısından çok çekici ve Hernandez-Lugo, son ulusal uzay nükleer politikası direktiflerine uygunluk" diye yazdı. e-posta "Görevin baskın bir ihtiyacı varsa, yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum kullanımı hala mümkündür."

bu en son uzay politikası direktifiBeyaz Saray tarafından geçen yıl Aralık ayında yayınlanan, yalnızca yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum kullanımına izin veriyor çeşitli devlet organları tarafından onaylanırsa ve tamamlamanın tek yolu olarak gösterilebilirse misyon.

Güneşten gelen enerji

Bununla birlikte, enerji üretimi için tek seçenek nükleer enerji değil: Şu anda uzay görevleri için kullanılan en yaygın güç seçeneklerinden biri güneş enerjisi. Avrupa Uzay Ajansı (ESA), neredeyse tüm görevleri için güneş enerjisini kullanıyor ve Rosalind Franklin adlı yaklaşmakta olan Mars gezgini de güneş enerjisiyle çalışacak.

ESA'da uzay görevleri için yeni gelişen teknolojileri araştıran Gelişmiş Kavramlar Ekibi Başkanı Leopold Summerer, şunları söyledi: Ek güvenliğe ihtiyaç duymaması nedeniyle güneş enerjisinin nükleer enerjiye göre avantajlı olduğunu belirten bir e-postadaki Dijital Eğilimler miktar. Ayrıca, Dünya'da güneş enerjisi teknolojisinin yaygın olarak kullanılmasının, uzaya uygulanabilecek sürekli gelişmeler anlamına geldiğine dikkat çekti. misyonları: “Güneş enerjisi, tamamen yenilenebilir olmasının yanı sıra kolay kullanım, erişim ve yüksek olgunluk sunan, hızla gelişen bir teknolojidir” söz konusu.

Bu hızlı geliştirme oranı, mühendislerin daha fazla elektrik üretebilen paneller tasarladığı anlamına geliyor. aynı miktarda güneş ışığı alıyor ve Summerer, gelecekteki güneş sistemlerinin daha fazlasını almaya devam etmesini bekliyor. verimli.

Summerer, "Uzayda verimlilik yerdekinden bile daha önemli ve sürekli olarak teknik olarak mümkün olanı zorluyoruz" dedi. Güneş pillerinin verimliliğindeki ve kütlesindeki nispeten küçük artışlar, özellikle uydu benzeri küçük tekneler için güneş sistemlerinin toplam maliyetinde büyük bir fark yaratabilir.

Ancak tüm teknolojilerde olduğu gibi güneş enerjisinin kullanımında da sınırlamalar vardır. Summerer, "Dış bir kaynağa, güneşe ve onunla birlikte gelen tüm dezavantajlara bağımlı olma dezavantajına sahip" dedi. Çoğu durumda, güneşten gelen güç yalnızca kesintilidir. Gündüz ve gece döngüsüne sahip bir gezegende, piller gün boyunca fazla gücü depolamak ve gece sağlamaya devam etmek için kullanılabilir. Ancak bu, güç sistemine başka bir hantal unsurun yanı sıra ek bir karmaşıklık katmanı ekler.

Bu soruna yönelik fütürist bir çözüm, yörüngedeki güneş enerjisi santralleri, güneşten enerji toplamak ve kablosuz olarak yüzeye ışınlamak için yüzeydeki güneş enerjisi panelleri ile birlikte çalışabilir. ESA şu anda kavramları aramak bu fikri gerçeğe dönüştürmek için.

Mars'ta güneş ışığı

Özellikle Mars söz konusu olduğunda, güneş enerjisi kullanmanın bazı zorlukları vardır. Güneşe Dünya'dan daha uzak olduğu için gezegenin yüzeyine daha az güneş ışığı ulaşır. Bu, Mars'taki kaşiflerin Dünya'daki güneş ışınımının yaklaşık yarısına erişebilecekleri anlamına geliyor.

Bu, Mars'ta güneş enerjisi kullanmanın imkansız olduğu anlamına gelmez, sadece görevlerin güç kullanımı konusunda çok dikkatli olmaları gerekir. NASA'nın önceki nesil Mars gezicileri, Spirit ve Opportunity, güneş enerjisi kullandı ve Mars Express ve Mars Orbiter Mission gibi mevcut yörünge araçları da güneş enerjisiyle çalışıyor.

Ancak Mars'ta başka bir sorun daha var: Toz fırtınası. Mars, zaman zaman büyük küresel toz fırtınalarına neden olan ve geçici olarak bloke eden karmaşık bir hava sistemine sahiptir. Güneş ışığının büyük bir kısmını alır ve gezegendeki hemen hemen her şeyi bir toz tabakasıyla kaplar – güneş ışığı da dahil paneller. İnanılmaz uzun ömürlü Opportunity gezici aracının 2018'de gezegen boyunca büyük bir toz fırtınası patladığında sonunda kararmasına neden olan şey buydu.

Summerer, yüzey ve yörünge güneş enerjisi santrallerini birleştirerek muhtemelen bir insan yaşam alanı için yeterli enerji üretebileceğinizi düşünüyor. Ancak güneş enerjisinin nükleer gibi diğer güç kaynaklarıyla birleştirilmesinin de değeri olduğunu kabul etti. "Yüzeydeki ve sonunda yörüngeden tamamlanan güneş enerjisi, Mars'taki insan yaşam alanları için yeterli gücü sağlayabilir, ancak en son gezici araçların gösterdiği gibi, örneğin Az önce inen Perseverance olarak, bazen küçük nükleer güç kaynakları o kadar büyük bir rekabet avantajı sağlıyor ki, bunların da rol oynamasını beklerdim” dedi. yazdı

Görev için doğru güç kaynağını seçmek

Hernandez-Lugo, bir Mars görevi için güneş, piller ve nükleer de dahil olmak üzere her türlü güç sisteminde potansiyel değer olduğu konusunda hemfikir. "Güç sistemi belirli göreve bağlı olacak" dedi. Çalıştığı NASA'nın Glenn Araştırma Merkezi, NASA'nın güç geliştirme merkezidir ve geniş bir alanda araştırmalar yapmaktadır. piller, güneş pilleri, radyo izotop sistemleri, fisyon güç sistemleri ve rejeneratif yakıt dahil olmak üzere çeşitli güç seçenekleri hücreler. Anahtar, mevcut kaynaklara dayalı olarak görevin ihtiyaçları için doğru güç kaynağını seçmektir.

İnsan yerleşimi misyonları için bir nükleer sistemin belirgin avantajları vardır. İlk olarak, NASA'nın yaptığı gibi hem Ay'da hem de Mars'ta kullanılacak bir güç sistemi tasarlamak istediğinizde, o zaman Ay'ın iki haftalık karanlık dönemleriyle uğraşmanız gerekiyor.

"Sürekli güce sahip olmanıza izin veren bir görev mimarisini nasıl tasarlayacağınızı düşünmeye başladığınızda, işte o zaman nükleer devreye giriyor" dedi. “Çünkü o gece operasyonlarında size sürekli güç sağlayacak güvenilir bir sisteme ihtiyacınız var.”

Mars için, özellikle orada yaşayan astronotların güvenliği için sürekli güç üretimi de önemlidir. Kesinlikle her türlü hava koşulunda, tozlu bir sistemde bile çalışmaya devam edecek bir güç sistemi istiyorsunuz ve nükleer enerji bunu sağlayabilir.

Hernandez-Lugo ayrıca, Mars 2020 gibi Mars'a yönelik mevcut NASA misyonlarının, her iki güneş enerjisinin bir kombinasyonunu kullandığına da dikkat çekti. Ingenuity helikopteri için güç ve Perseverance gezgini için nükleer güç, misyon.

"Şu anda teşkilat içinde, ay ve Mars gibi görevlerde kullanılabilmesi için tüm farklı güç sistemlerini geliştirmeye çalışıyorlar" dedi. "Yani tüm güç sistemleri için bir yer var."

Bu makalenin bir parçası Marsta yaşam — insanların Mars'ı işgal etmesine izin verecek en son bilim ve teknolojiyi araştıran 10 bölümlük bir dizi

Editörlerin Önerileri

• Kozmolojik bir işe gidip gelme: İnsanları Mars'a göndermenin zorlu lojistiği
• Mükemmel itme gücü: İnsanları Mars'a nasıl ulaştıracağız?
• Kumdan kaleler: Mars toprağı ile nasıl yaşam alanları yapacağız?
• Hasat hidrasyonu: Gelecekteki yerleşimciler Mars'ta nasıl su yaratacak ve toplayacak?
• Astro-tarım: Mars'ta nasıl ekin yetiştireceğiz?