Według nowej analizy przeprowadzonej przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, wysoka wydajność, niewielki ciężar i elastyczność najnowszych technologii ogniw słonecznych oznacza, że fotowoltaika mogłaby zapewnić całą energię potrzebną do przedłużenia misji na Marsa, a nawet do osiedlenia się tam na stałe.
Według nowej analizy przeprowadzonej przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, wysoka wydajność, niewielki ciężar i elastyczność najnowszych technologii ogniw słonecznych oznacza, że fotowoltaika mogłaby zapewnić całą energię potrzebną do przedłużenia misji na Marsa, a nawet do osiedlenia się tam na stałe.
Większość naukowców i inżynierów, którzy zastanawiali się nad logistyką życia na powierzchni Czerwonej Planety, wychodziła z założenia, że najlepszą alternatywą jest energia jądrowa, głównie ze względu na jej niezawodność i możliwość pracy 24 godziny na dobę przez 7 dni w tygodniu. W ciągu ostatniej dekady zminiaturyzowane reaktory rozszczepienia jądrowego o mocy kilku kilopowerów rozwinęły się do tego stopnia, że NASA uważa je za bezpieczne, wydajne i obfite źródło energii oraz klucz do przyszłej eksploracji kosmosu przez roboty i ludzi.
Z drugiej strony, energia słoneczna musi być przechowywana w celu wykorzystania w nocy, która na Marsie trwa mniej więcej tyle samo czasu, co na Ziemi. A na Marsie produkcja energii przez panele słoneczne może być ograniczona przez wszechobecny czerwony pył, który pokrywa wszystko. Prawie 15-letni łazik Opportunity NASA, zasilany przez panele słoneczne, przestał działać po potężnej burzy pyłowej na Marsie w 2019 roku.
W nowym badaniu, opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie Frontiers in Astronomy and Space Sciences, zastosowano podejście systemowe, aby faktycznie porównać te dwie technologie "łeb w łeb" dla sześcioosobowej rozszerzonej misji na Marsa obejmującej 480-dniowy pobyt na powierzchni planety przed powrotem na Ziemię. Jest to najbardziej prawdopodobny scenariusz dla misji, która skraca czas przelotu między obiema planetami i wydłuża czas pobytu na powierzchni ponad 30-dniowe okno.
Ich analiza wykazała, że w przypadku osad na prawie połowie powierzchni Marsa energia słoneczna jest porównywalna lub lepsza niż jądrowa, jeśli weźmie się pod uwagę ciężar paneli słonecznych i ich wydajność - o ile część energii w ciągu dnia zostanie wykorzystana do produkcji wodoru, który posłuży w ogniwach paliwowych do zasilania kolonii w nocy lub podczas burz piaskowych.
"Fotowoltaiczne wytwarzanie energii w połączeniu z pewnymi konfiguracjami magazynowania energii w molekularnym wodorze przewyższa reaktory syntezy jądrowej na 50% powierzchni planety, głównie w regionach wokół pasma równikowego, co stanowi dość ostry kontrast z tym, co było wielokrotnie proponowane w literaturze, a mianowicie, że będzie to energia jądrowa" - powiedział doktorant bioinżynierii UC Berkeley Aaron Berliner, jeden z dwóch pierwszych autorów pracy.
Praca daje nowe spojrzenie na kolonizację Marsa i stanowi mapę drogową do podjęcia decyzji, jakie inne technologie zastosować przy planowaniu misji załogowych na inne planety lub księżyce.
"Niniejsza praca przedstawia globalne spojrzenie na dostępne technologie energetyczne i sposoby ich zastosowania, a także na to, jakie są najlepsze przypadki ich wykorzystania i gdzie są one niewystarczające" - powiedział współautor pracy, Anthony Abel, student Wydziału Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej. "Jeśli ludzkość wspólnie zdecyduje, że chce polecieć na Marsa, takie podejście na poziomie systemowym jest niezbędne, aby zrealizować ten cel bezpiecznie i zminimalizować koszty w sposób zgodny z zasadami etyki. Chcemy mieć możliwość dokładnego porównania różnych opcji, niezależnie od tego, czy decydujemy o tym, jakich technologii użyć, w jakie miejsca na Marsie się udać, jak to zrobić i kogo zabrać."
Dłuższe misje mają większe zapotrzebowanie na energię
W przeszłości szacunki NASA dotyczące zapotrzebowania astronautów na Marsie na energię elektryczną koncentrowały się na krótkich pobytach, które nie wymagają energochłonnych procesów uprawy żywności, wytwarzania materiałów budowlanych lub produkcji chemikaliów. Jednak w miarę jak NASA i liderzy firm budujących obecnie rakiety, które mogłyby polecieć na Marsa - w tym Elon Musk, dyrektor generalny SpaceX, i Jeff Bezos, założyciel Blue Origin - mówią o idei długoterminowego osadnictwa poza planetą, należy rozważyć większe i bardziej niezawodne źródła energii.
Komplikacja polega na tym, że wszystkie te materiały muszą zostać przetransportowane z Ziemi na Marsa kosztem setek tysięcy dolarów za funt, co sprawia, że niska masa ma kluczowe znaczenie.
Jedną z kluczowych potrzeb jest zasilanie urządzeń do produkcji biomateriałów, które wykorzystują genetycznie modyfikowane mikroby do produkcji żywności, paliwa rakietowego, tworzyw sztucznych i chemikaliów, w tym leków. Abel, Berliner i ich współautorzy są członkami Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES), wielonarodowego projektu mającego na celu zmodyfikowanie mikrobów przy użyciu technik biologii syntetycznej polegających na wprowadzaniu genów w celu zapewnienia niezbędnych zapasów dla kolonii.
Dwaj badacze odkryli jednak, że nie wiedząc, ile energii będzie dostępne podczas dłuższej misji, nie można ocenić praktyczności wielu procesów biomanufakturowych. Postanowili więc stworzyć komputerowy model różnych scenariuszy zasilania i prawdopodobnych potrzeb energetycznych, takich jak utrzymanie siedliska (w tym kontrola temperatury i ciśnienia), produkcja nawozów dla rolnictwa, produkcja metanu na paliwo rakietowe do powrotu na Ziemię oraz produkcja bioplastiku do wytwarzania części zamiennych.
W szranki z systemem jądrowym Kilopower stanęły ogniwa fotowoltaiczne z trzema opcjami magazynowania energii: akumulatorami i dwiema różnymi technikami wytwarzania wodoru z energii słonecznej - poprzez elektrolizę i bezpośrednio przez ogniwa fotoelektrochemiczne. W tym drugim przypadku wodór jest sprężany i przechowywany w celu późniejszego wykorzystania w ogniwie paliwowym do produkcji energii, gdy panele słoneczne nie działają.
Jedynie energia fotowoltaiczna z elektrolizą - wykorzystująca energię elektryczną do rozdzielenia wody na wodór i tlen - była konkurencyjna w stosunku do energii jądrowej: okazała się bardziej opłacalna w przeliczeniu na kilogram niż energia jądrowa na prawie połowie powierzchni planety.
Głównym kryterium był ciężar. Badacze założyli, że rakieta transportująca załogę na Marsa może unieść ładunek o masie około 100 ton, nie licząc paliwa, i obliczyli, ile z tego ładunku trzeba będzie przeznaczyć na system energetyczny do wykorzystania na powierzchni planety. Podróż na Marsa i z powrotem zajęłaby około 420 dni - 210 dni w każdą stronę. Co zaskakujące, okazało się, że masa systemu zasilania wyniosłaby mniej niż 10% całego ładunku.
Na przykład dla lądowiska w pobliżu równika oszacowali, że masa paneli słonecznych i magazynu wodoru wyniosłaby około 8,3 tony, w porównaniu z 9,5 tony w przypadku systemu reaktora jądrowego Kilopower.
Model określa również, jak dostosować panele fotowoltaiczne, aby zmaksymalizować ich wydajność w różnych warunkach panujących na Marsie. Na przykład szerokość geograficzna wpływa na intensywność światła słonecznego, a pył i lód w atmosferze mogą rozpraszać światło o większej długości fali.
Postępy w dziedzinie fotowoltaiki
Abel powiedział, że fotowoltaika jest obecnie bardzo wydajna w przetwarzaniu światła słonecznego na energię elektryczną, choć najlepsze rozwiązania są nadal drogie. Najważniejszą innowacją jest jednak lekki i elastyczny panel słoneczny, który ułatwia przechowywanie na rakiecie wylatującej, a także obniża koszty transportu.
"Panele krzemowe, które masz na swoim dachu, o stalowej konstrukcji, ze szklanym tyłem itp. nie są w stanie konkurować z nowymi i ulepszonymi panelami jądrowymi, ale nowsze, lekkie i elastyczne panele nagle naprawdę zmieniają tę sytuację" - powiedział Abel.
Zauważył on również, że mniejsza masa oznacza, że na Marsa można przetransportować więcej paneli, które będą stanowiły rezerwę dla tych, które ulegną awarii. Kilowatowe elektrownie jądrowe dostarczają więcej energii, ale potrzebują jej mniej, więc gdyby jedna z nich uległa awarii, kolonia straciłaby znaczną część energii.
Berliner, który również studiuje inżynierię jądrową, podszedł do projektu z nastawieniem na energię jądrową, podczas gdy Abel, którego praca licencjacka dotyczyła nowych innowacji w dziedzinie fotowoltaiki, był bardziej przychylny energii słonecznej.
"Mam wrażenie, że ta praca jest wynikiem zdrowej naukowej i inżynierskiej różnicy zdań na temat zalet energii jądrowej i słonecznej, i że tak naprawdę jest to nasza próba ustalenia i rozstrzygnięcia zakładu" - powiedział Berliner. "Myślę, że przegrałem, biorąc pod uwagę konfiguracje, które wybraliśmy, aby opublikować tę pracę. Ale na pewno jest to szczęśliwa przegrana".
University of California - Berkeley
Posty: itnews24.plitlife.pl
ofio.pl
radiozet.pl
Komentarze
Prześlij komentarz