|
Солнечная энергия лучше всего подойдет для поселения на Марсе
|
|
|
|
Согласно новому анализу, проведенному учеными из Калифорнийского университета в Беркли, высокая эффективность, легкий вес и гибкость новейшей технологии солнечных элементов означают, что фотоэлектрические элементы могут обеспечить всю энергию, необходимую для продолжительной миссии на Марс или даже для постоянного поселения там. Большинство ученых и инженеров, которые думали о логистике жизни на поверхности Красной планеты, предположили, что атомная энергия является лучшей альтернативой, в значительной степени из-за ее надежности и круглосуточной работы. За последнее десятилетие миниатюрные ядерные реакторы Kilopower продвинулись до такой степени, что НАСА считает их безопасным, эффективным и обильным источником энергии и ключом к будущим исследованиям роботов и людей.
|
|
|
|
Солнечная энергия, с другой стороны, должна храниться для использования в ночное время, которое на Марсе длится примерно столько же времени, сколько на Земле. А на Марсе производство электроэнергии солнечными панелями может быть снижено из-за вездесущей красной пыли, покрывающей все вокруг. Почти 15-летний марсоход НАСА Opportunity, работающий от солнечных батарей, перестал работать после сильной пыльной бури на Марсе в 2019 году. Новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences, использует системный подход для фактического сравнения этих двух технологий для расширенной миссии на Марс с участием шести человек, включающей 480-дневное пребывание на планете. поверхности перед возвращением на Землю. Это наиболее вероятный сценарий для миссии, которая сократит время перехода между двумя планетами и продлит время на поверхности за пределы 30-дневного окна.
|
|
|
Их анализ показал, что для поселений, занимающих почти половину марсианской поверхности, солнечная энергия сравнима или даже лучше ядерной, если принять во внимание вес солнечных панелей и их эффективность — при условии, что часть дневной энергии используется для производства газообразного водорода для нужд человечества. использовать в топливных элементах для питания колонии ночью или во время песчаных бурь. «Фотоэлектрическое производство энергии в сочетании с определенными конфигурациями хранения энергии в молекулярном водороде превосходит ядерные термоядерные реакторы на более чем 50% поверхности планеты, в основном в тех регионах вокруг экваториальной полосы, что довольно резко контрастирует с тем, что снова и снова предлагалось в литературы, а именно, что это будет ядерная энергетика», — сказал биоинженерный докторант Калифорнийского университета в Беркли Аарон Берлинер, один из двух первых авторов статьи.
|
|
|
|
Исследование дает новый взгляд на колонизацию Марса и дает дорожную карту для принятия решения о том, какие другие технологии использовать при планировании пилотируемых миссий на другие планеты или луны. «В этом документе представлен глобальный взгляд на то, какие энергетические технологии доступны и как мы можем их развернуть, каковы их наилучшие варианты использования и где они терпят неудачу», — сказал соавтор Энтони Абель, аспирант в кафедра химической и биомолекулярной инженерии. «Если человечество коллективно решит, что мы хотим отправиться на Марс, такой подход на системном уровне необходим для безопасного выполнения этой задачи и минимизации затрат этическим образом. решая, какие технологии использовать, в какие места на Марсе отправиться, как идти и кого взять с собой».
|
|
|
|
Более длительные миссии требуют большей мощности
|
|
|
|
В прошлом оценки НАСА энергетических потребностей астронавтов на Марсе, как правило, были сосредоточены на краткосрочном пребывании, которое не требовало энергоемких процессов для выращивания продуктов питания, производства строительных материалов или производства химикатов. Но поскольку НАСА и руководители компаний, которые сейчас строят ракеты, которые могут полететь на Марс, включая Илона Маска, генерального директора SpaceX, и Джеффа Безоса, основателя Blue Origin, обсуждают идею долгосрочных поселений за пределами планеты, более крупных и необходимо рассмотреть надежные источники питания. Сложность заключается в том, что все эти материалы должны быть доставлены с Земли на Марс по цене сотни тысяч долларов за фунт, что делает необходимым малый вес.
|
|
|
|
Одной из ключевых потребностей является электроэнергия для предприятий биопроизводства, которые используют генетически модифицированные микробы для производства продуктов питания, ракетного топлива, пластиковых материалов и химикатов, включая лекарства. Абель, Берлинер и их соавторы являются членами Центра использования биологической инженерии в космосе (CUBES), многоуниверситетской организации по настройке микробов с использованием методов синтетической биологии вставки генов для снабжения необходимыми припасами для колонии.
|
|
|
|
Однако два исследователя обнаружили, что, не зная, сколько энергии будет доступно для расширенной миссии, невозможно оценить практичность многих процессов биопроизводства. Поэтому они решили создать компьютеризированную модель различных сценариев энергоснабжения и возможных потребностей в электроэнергии, таких как обслуживание среды обитания, включая контроль температуры и давления, производство удобрений для сельского хозяйства, производство метана для ракетного топлива, возвращаемого на Землю, и производство биопластиков. для изготовления запасных частей.
|
|
|
|
Ядерной системе Kilopower противостояли фотогальваники с тремя вариантами накопления энергии: батареи и два разных метода производства газообразного водорода из солнечной энергии — путем электролиза и непосредственно с помощью фотоэлектрохимических элементов. В последних случаях водород находится под давлением и хранится для последующего использования в топливном элементе для производства энергии, когда солнечные панели не работают. Только фотогальваническая энергия с электролизом, использующая электричество для расщепления воды на водород и кислород, была конкурентоспособной с ядерной энергией: она оказалась более рентабельной в расчете на килограмм, чем ядерная, почти на половине поверхности планеты.
|
|
|
|
Главным критерием был вес. Исследователи предположили, что ракета, доставляющая экипаж на Марс, может нести полезную нагрузку около 100 тонн, не считая топлива, и подсчитали, какая часть этой полезной нагрузки потребуется для энергосистемы для использования на поверхности планеты. Путешествие на Марс и обратно займет около 420 дней — по 210 дней в одну сторону. Удивительно, но они обнаружили, что вес энергосистемы будет составлять менее 10% от всей полезной нагрузки. Например, для посадочной площадки вблизи экватора они подсчитали, что вес солнечных панелей плюс хранилище водорода составит около 8,3 тонны по сравнению с 9,5 тонны для системы ядерного реактора Kilopower. Их модель также указывает, как настроить фотоэлектрические панели, чтобы максимизировать эффективность для различных условий на Марсе. Например, широта влияет на интенсивность солнечного света, в то время как пыль и лед в атмосфере могут рассеивать более длинные волны света.
|
|
|
|
Достижения в области фотоэлектричества
|
|
|
|
Абель сказал, что фотогальванические элементы в настоящее время очень эффективно преобразовывают солнечный свет в электричество, хотя лучшие из них по-прежнему дороги. Однако наиболее важным нововведением является легкая и гибкая солнечная панель, которая упрощает хранение на стартовой ракете и снижает стоимость транспортировки. «Силиконовые панели, которые у вас есть на крыше, со стальной конструкцией, стеклянной подложкой и так далее, просто не будут конкурировать с новыми и улучшенными ядерными, но новые легкие, гибкие панели внезапно действительно, действительно меняют этот разговор, — сказал Авель.
|
|
|
|
Он также отметил, что меньший вес означает, что на Марс можно будет доставить больше панелей, обеспечивая резервную копию любых панелей, которые выходят из строя. В то время как киловаттные атомные электростанции обеспечивают больше энергии, требуется меньше, поэтому, если одна из них выйдет из строя, колония потеряет значительную часть своей мощности. Берлинер, который также получает степень в области ядерной инженерии, пришел в проект с уклоном в сторону ядерной энергетики, в то время как Абель, чья дипломная работа была посвящена инновациям в фотогальванике, больше поддерживал солнечную энергию.
|
|
|
|
«Я чувствую, что эта статья действительно проистекает из здорового научного и инженерного разногласия по поводу достоинств атомной энергии по сравнению с солнечной, и что на самом деле работа заключается в том, чтобы мы просто пытались выяснить и урегулировать пари», — сказал Берлинер. «которую, я думаю, я потерял, основываясь на конфигурациях, которые мы выбрали для публикации этого. Но это, безусловно, счастливая потеря».
|
|
|
|
Другими соавторами статьи являются Миа Миркович, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли в Центре датчиков и исполнительных механизмов Беркли; Уильям Коллинз, профессор кафедры наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли и старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab); Адам Аркин, директор CUBES и мемориальный профессор декана А. Ричарда Ньютона кафедры биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли; и Дуглас Кларк, профессор Гилберта Ньютона Льюиса кафедры химической и биомолекулярной инженерии и декан химического колледжа. Аркин и Кларк также являются старшими научными сотрудниками лаборатории Беркли.
|
|
|
|
Источник
|
