Налагодження присутності людини на Марсі пов’язане з величезним набором проблем, багато з яких пов’язані з однією важливою вимогою: потужністю. Чи це для створення кисню, керуючи марсоходами, забезпечуючи теплом і світлом або засобами зв’язку, майбутнім мешканцям Марса знадобиться постійне постачання електроенергією, щоб забезпечити їхню безпеку та забезпечити роботу місії.
Зміст
- Ядерні реактори в космосі
- Безпека атомної енергетики
- Енергія від сонця
- Сонячне світло на Марсі
- Вибір правильного джерела живлення для місії
Однак на Марсі немає електромережі, і нинішні рішення можуть завести нас лише так далеко. Тож як виглядатиме перша позапланетна електростанція? Щоб з’ясувати це, ми зв’язалися з двома людьми, які працюють над передовими космічними енергетичними системами у двох різних агентствах.
Рекомендовані відео
Ця стаття є частиною Життя на Марсі — серія з 10 частин, яка досліджує передові науки та технології, які дозволять людям заселити Марс
Ядерні реактори в космосі
Плани НАСА щодо майбутнього виробництва електроенергії включають системи ядерного поділу, в яких атоми урану розщеплюються всередині реактора для вироблення тепла. Порівняно з радіоізотопними системами (RTG), які живлять марсоходи, такі як Perseverance, системи ділення можуть
виробляти більше енергії залишаючись невеликим розміром.У березні 2018 року проект агентства Kilopower продемонстрував експеримент з розщеплення, здатний виробляти 1 кіловат енергії, який може бути використаний як основа для майбутніх космічних реакторів. Експеримент, який отримав прізвисько KRUSTY на честь Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY, живився від ядра з урану-235, який НАСА описав як «розміром з рулон паперового рушника». Це генерувало тепло, яке потім перетворювалося на електрику за допомогою механізму під назвою двигун Стірлінга.
Майбутня поверхнева енергетична система ділення буде невеликою та легкою та може працювати щонайменше 10 років. Це робить концепцію ідеальною для майбутніх місій на Місяць і, зрештою, на Марс.
Минулого року NASA разом з Міністерством енергетики запросили ідеї промисловості щодо 10-кіловатної системи. Чотири або п'ять таких блоків могли б живити марсіанське середовище існування з усім, що випливає з цього — як виробництво кисню для ракет палива, а також задоволення потреб трьох-чотирьох астронавтів, що, за оцінками, потребує в цілому близько 40 кіловат.
Діонн Ернандес-Луго був керівником проекту Kilopower, а зараз є заступником керівника проекту NASA з поверхневої енергії ділення демонстрація місячних технологій, і вона сказала Digital Trends, що вони мають намір випробувати перший блок на Місяці протягом наступного десятиліття.
«Ідея полягає в тому, щоб спочатку продемонструвати систему на Місяці в рамках програми Artemis», — сказала вона. «Наш проект передбачає розробку 10-кіловатної системи та першу демонстрацію на Місяці. Це допомогло б нам зрозуміти систему». Після цього можна буде внести будь-які необхідні зміни в конструкцію, і його можна буде використовувати в майбутніх місіях на Марс.
План першого випробування на Місяці полягає в тому, щоб енергоблок залишався в місячному посадковому модулі. Залишення пристрою в посадковому модулі «спрощує роботу системи, а не бере додаткову масу, яку можна було б видалити», пояснила вона. Саме над цим працює її команда. Але вони також сподіваються побачити ідеї промисловості про те, як може працювати знімна система. «Зараз у нашій групі ідея полягає в тому, щоб залишити систему в посадковому модулі», — сказала вона. «Але є багато інновацій, і зараз ми шукаємо ці інновації в промисловості, щоб побачити інші варіанти, які вони могли б мати».
Внутрішнє дослідження NASA підрахувало, що кожен блок потужністю 10 кіловат матиме близько шести метрів (19,6 футів) у висоту та понад два метри (6,5 футів) у ширину, хоча точні деталі залежатимуть від остаточного дизайну. На концептуальному зображенні (вище), створеному НАСА, показано чотири такі блоки, з’єднані разом на поверхні Марса, щоб забезпечити енергією тамтешню базу, тож ви можете уявити, як може виглядати марсіанська електростанція.
Безпека атомної енергетики
Одним із факторів, яким люди, як правило, хвилюються, коли мова заходить про використання ядерної енергії на Землі, є безпека, і це також стосується космічних місій. Радіоактивні елементи, які використовуються в ядерних енергетичних реакторах, наприклад уран, використаний у демонстрації Kilopower, випромінювати небезпечне для людини випромінювання, яке також може спричинити проблеми з розташованою поблизу електронікою обладнання.
Щоб забезпечити безпеку як людей, так і електроніки, енергосистеми ділення оточені товстим металевим екраном, який утримує випромінювання. Будь-яка нова система живлення для місії на Марсі буде піддана ретельним випробуванням на Землі, щоб переконатися в цьому був безпечним навіть за екстремальних умов, таких як експлуатаційні випробування, вакуумні випробування та вібрація тестування.
Ернандес-Луго зазначив, що NASA вже запустило понад 20 місій у минулому, які використовували різні типи ядерних енергетичних систем, «тому NASA має досвід і досвід запуску ядерних енергетичних систем як на Місяць, так і на Місяць Марс».
Існує також занепокоєння щодо використання високозбагаченого урану в енергетичних системах, що і було використано в демонстрації Kilopower. Цей матеріал також можна використовувати для виготовлення ядерної зброї, тому деякі політичні лідери стурбовані що використання його в космічних проектах може сприяти його поширенню на Землі.
Щоб вирішити ці проблеми, у майбутніх поверхневих системах поділу замість цього можна використовувати низькозбагачений уран, який зазвичай використовується в енергетичних реакторах на Землі і не є збройовим. «Конструкції з низькозбагаченого урану дуже привабливі з точки зору обмеженого регулювання та відповідність останнім директивам національної космічної ядерної політики», – написав Ернандес-Луго у подальшому електронною поштою. «Використання високозбагаченого урану все ще можливе, якщо в місії є переважна потреба».
The Остання директива космічної політики, опублікований Білим домом у грудні минулого року, дозволяє використовувати лише високозбагачений уран якщо він схвалений різними державними органами і може бути показано, що це єдиний спосіб виконати a місія.
Енергія від сонця
Однак атомна енергетика — не єдиний варіант для виробництва електроенергії: одним із найпоширеніших джерел енергії, який зараз використовується для космічних місій, є сонячна енергія. Європейське космічне агентство (ESA) використовує сонячну енергію практично для всіх своїх місій, і його майбутній марсохід під назвою «Розалінда Франклін» також працюватиме на сонячній енергії.
«У космосі ефективність навіть важливіша, ніж на землі, і ми постійно вдосконалюємо те, що технічно можливо».
Леопольд Саммерер, керівник групи передових концепцій ESA, яка досліджує нові технології для космічних місій, розповів Digital Trends в електронному листі повідомляє, що сонячна енергія має перевагу над ядерною, оскільки не потребує додаткової безпеки заходів. Він також зазначив, що широке використання технології сонячної енергії на Землі означає постійний розвиток, який можна застосувати в космосі місій: «Сонячна енергія — це технологія, що швидко розвивається, пропонує легке використання, доступ і високу зрілість, крім того, що вона повністю відновлювана», — сказав він. сказав.
Цей швидкий темп розвитку означає, що інженери розробляють панелі, які можуть виробляти ще більше електроенергії однакова кількість сонячного світла, і Саммерер очікує, що майбутні сонячні системи продовжуватимуть отримувати більше ефективний.
«У космосі ефективність навіть важливіша, ніж на землі, і ми постійно вдосконалюємо те, що технічно можливо», — сказав Саммерер. Відносно невелике збільшення ефективності та маси сонячних елементів може значно змінити загальну вартість сонячних систем, особливо для менших кораблів, таких як супутники.
Але, як і в усіх інших технологіях, використання сонячної енергії має обмеження. «Недоліком є залежність від зовнішнього джерела, сонця, і всі недоліки, які з цим пов’язані», — сказав Саммерер. У багатьох ситуаціях енергія від сонця подається лише періодично. На планеті з денним і нічним циклом батареї можна використовувати для зберігання надлишкової енергії вдень і продовжувати постачати її вночі. Але це додає ще один громіздкий елемент до системи живлення, а також додатковий рівень складності.
Одним із футуристичних рішень цієї проблеми, яке розглядається, є розробка орбітальні сонячні електростанції, який міг би працювати в тандемі з сонячними панелями на поверхні, щоб збирати енергію від сонця та передавати її на поверхню без проводів. ЄКА в даний час пошук понять щоб втілити цю ідею в життя.
Сонячне світло на Марсі
Що стосується конкретно Марса, є деякі проблеми з використанням сонячної енергії. Оскільки вона розташована далі від Сонця, ніж Земля, менше сонячного світла досягає поверхні планети. Це означає, що дослідники на Марсі матимуть доступ до приблизно половини сонячного випромінювання, ніж на Землі.
Це не означає, що використання сонячної енергії на Марсі неможливе, просто місії повинні бути дуже обережними з використанням енергії. Марсоходи попереднього покоління NASA, Spirit і Opportunity, використовували сонячну енергію, а нинішні орбітальні апарати, такі як Mars Express і Mars Orbiter Mission, також працюють на сонячній енергії.
Однак на Марсі є інша проблема: Пилові бурі. Марс має складну погодну систему, яка час від часу призводить до масштабних глобальних пилових бур, тимчасово блокуючи велика частина сонячного світла і покриває практично все на планеті шаром пилу, включаючи сонячне панелі. Саме це призвело до того, що марсохід Opportunity з неймовірно довгим терміном служби врешті-решт померк, коли планетою в 2018 році прокотилася пилова буря.
Саммерер вважає, що, об’єднавши наземні та орбітальні сонячні електростанції, ви, ймовірно, зможете генерувати достатньо енергії для людського середовища проживання. Але він також визнав, що поєднання сонячної енергії з іншими джерелами енергії, як-от ядерною, має цінність. «Сонячна енергія на поверхні та, зрештою, доповнена з орбіти, може забезпечити достатньо енергії для проживання людей на Марсі, але, як продемонстрували останні марсоходи, такі як Perseverance, який щойно приземлився, інколи невеликі ядерні джерела енергії забезпечують настільки велику конкурентну перевагу, що я очікую, що вони також зіграють свою роль», – сказав він. написав.
Вибір правильного джерела живлення для місії
Ернандес-Луго погодився, що для марсіанської місії є потенційна цінність усіх видів енергетичних систем, включаючи сонячну енергію, батареї та ядерну енергію. «Система живлення залежатиме від конкретної місії», — сказала вона. Дослідницький центр Гленна NASA, де вона працює, є центром розвитку потужності NASA і проводить дослідження в широкому різні варіанти живлення, включаючи батареї, сонячні батареї, радіоізотопні системи, системи розподілу енергії та регенеративне паливо клітини. Головне – вибрати правильне джерело живлення для потреб місії на основі наявних ресурсів.
Є явні переваги ядерної системи для місій із заселенням людей. По-перше, якщо ви хочете розробити енергетичну систему для використання як на Місяці, так і на Марсі, як це робить NASA, тоді вам потрібно мати справу з двотижневими періодами темряви на Місяці.
«Коли ви починаєте думати про те, як розробити архітектуру місії, яка дозволить вам мати постійну енергію, тоді в гру вступає ядерна зброя», — сказала вона. «Тому що вам потрібна надійна система, яка забезпечить вам постійне живлення під час тих нічних операцій».
Для Марса також важлива постійна генерація електроенергії, особливо для безпеки астронавтів, які там живуть. Вам точно потрібна енергосистема, яка працюватиме за будь-яких погодних умов, навіть під час пилової системи, і ядерна енергетика може це забезпечити.
Ернандес-Луго також зазначив, що поточні місії НАСА на Марс, як і Марс 2020, використовують поєднання обох сонячних потужність для гелікоптера Ingenuity та ядерна енергія для марсохода Perseverance, щоб відповідати особливим потребам місія.
«На даний момент в агентстві вони розглядають розвиток усіх різних систем живлення, щоб вони були доступні для таких місій, як Місяць і Марс», — сказала вона. «Тож є місце для всіх систем живлення».
Ця стаття є частиною Життя на Марсі — серія з 10 частин, яка досліджує передові науки та технології, які дозволять людям заселити Марс
Рекомендації редакції
- Космологічне переміщення: хитра логістика відправлення людей на Марс
- Удосконалення двигуна: як ми доставимо людей на Марс
- Замки з піску: як ми створимо середовище існування з марсіанського ґрунту
- Збирання гідратації: як майбутні поселенці будуть створювати та збирати воду на Марсі
- Астроагрокультура: як ми будемо вирощувати зернові культури на Марсі
