Wissenschaftler sind sich unschlüssig, ob Solar- oder Kernenergie die bevorzugte Energiequelle für kleine Teams sein sollte, die die Marsoberfläche besuchen. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass beide Optionen gut sind, wobei die geografische Lage der entscheidende Faktor ist.
Das Forscher zwei unterschiedliche Leistungs-Generierungsoptionen für eine bemannte Reise zum Mars: Solarzellen und Kernkraft aus kleinen Kernspaltungsreaktoren. Eine wichtige Überlegung war das Gewicht oder die „mitgeführte Masse“, die für den Bau jeder Lösung erforderlich ist, da bei Missionen zum Mars versucht wird, so effizient wie möglich zu packen. Das Ergebnisseheute in Frontiers in Astronomy and Space Sciences veröffentlicht, legen nahe beide Optionen sind realisierbar, jedoch mit einem ziemlich wichtigen Vorbehalt, der mit der Geographie zu tun hat.
„Das Hauptergebnis war, was man ‚gewinnt‘, hängt von der Position auf dem Mars ab“, erklärte Anthony Abel, ein Forscher vom Department of Chemical Engineering der UC Berkeley und Mitautor der Studie, in einer E-Mail. „Das Gesamtergebnis war, dass Solarenergie näher am Äquator besser war als Kernkraft, während Atomkraft näher an den Polen besser war als Solarenergie.“
Dies ist eine gute Information, da sie einen erheblichen Einfluss auf die Art von Power-g haben könnteEnergieerzeugungsgeräte, die jede zukünftige Mission zum Mars bringen möchte. Die NASA sollte dies zur Kenntnis nehmen, da die Weltraumbehörde plant, die erste bemannte Mission zum Planeten zu schicken in den späten 2030er oder frühen 2040er Jahren. Allerdings sind diese Ergebnisse spezifisch für eine sechsköpfige Besatzung auf einem 480-tägige Mission zur Marsoberfläche (die ersten Missionen werden wahrscheinlich nicht länger als 30 Tage dauern), aber die Forscher sagen, dass ihre Ergebnisse für noch größere und längere Missionen sprechen könnten, einschließlich dauerhafter Kolonien. Aaron Berliner vom Department of Nuclear Engineering der UC Berkeley ist Co-Autor der Studie.
Zukünftige Entdecker werden Strom benötigen, um ihre Bodenmissionen zu unterstützen. Dieser Strom wird benötigt, um Wärme, Sauerstoff und sauberes Trinkwasser zu erzeugen um auch fortgeschrittenere Aktivitäten wie LEDs mit Strom zu versorgen um auf Ernten und 3D-Druckern zu glänzen, um nützliche Teile herzustellen. Abel und Berliner haben als Mitglieder des Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES) ein begründetes Interesse an diesem Thema, da ihre imaginären Konzepte von nachhaltiger Arbeitskraft abhängen, wie beispielsweise die Verwendung von Mikroben zur Herstellung von Kunststoffen und Arzneimittel. Abel und Berliner wollten wissen, wie sie ihre zukünftigen weltraumtauglichen Systeme am besten mit Strom versorgen können, was zu der neuen Studie führte.
„Wir wussten, dass Rover in der Vergangenheit entweder von Solarzellen oder Atomstromgeneratoren angetrieben wurden und dass sowohl Solar- als auch Atomkraft für bemannte Missionen zum Mars vorgeschlagen worden waren“, sagte Abel mir. „Atomgeneratoren funktionieren mehr oder weniger gleich, egal wo Sie sich befinden, aber Solarzellen funktionieren ziemlich anders, weil Sonnenlicht die Energiequelle ist.“
Die Konsistenz der Kernenergie und die Schwäche der Solarenergie haben einige Experten zu der Annahme veranlasst, dass die Kernenergie die klügere und zuverlässigere Wahl sein könnte. Tatsächlich gibt es viele Faktoren zu berücksichtigen, wenn es darum geht, Solarstrom auf dem Roten Planeten zu erzeugen. Mars ist nicht nur faWeiter von der Sonne entfernt als die Erde ist es kälter, staubiger und trockener. Abel und Berliner mussten diese Faktoren berücksichtigen, indem sie Variationen der Sonnenintensität berechneten, Oberflächentemperaturen kartierten und analysierten, wie Gase und Partikel Licht auf dem Mars absorbieren und streuen, als all dies Einflüsse Fähigkeit der Solarzellen Strom zu produzieren.
„Also mussten wir die Marsatmosphäre modellieren, um herauszufinden, wie viel Licht auf unsere Solarzellen treffen würde, und dann die Solarzellen modellieren, um herauszufinden, wie viel Strom sie erzeugen würden“, sagte Abel. „Die Sonne geht auch jeden Tag unter, also muss man bei der Nutzung von Solarenergie herausfinden, wie man Energie speichert, um nachts ‚das Licht anzulassen‘.“
Ausgestattet mit diesen Daten berechnete das Team dann die mitgeführte Masse der verschiedenen Energielösungen – die „Menge an Zeug, die wir von der Erde zum Mars mitnehmen müssten“, sagte Abel und fügte hinzu, dass „weniger besser ist“. Dies führte das Team zu dem Schluss, dass die Solarenergie näher am Äquator besser funktioniert, während die Kernenergie in der Nähe der Pole sinnvoller ist.
Während ein Miniatur-Kernspaltungsgerät unabhängig vom gewählten Standort auf dem Mars gleich funktioniert, kann dies nicht für die Sonne gesagt werden. Eine Photovoltaikanlage, die komprimierten Wasserstoff zur Energiespeicherung verwendet, wurde auf eine Masse von 8,3 Tonnen im Handgepäck am Marsäquator berechnet, verglichen mit 9,5 Tonnen für die entsprechende nukleare Option. Aber da die Effizienz der Solarenergie mit der Entfernung zum Äquator abnimmt, müssten unsere unerschrockenen Entdecker 22 Tonnen Material packen, um eine ebenso effiziente Solarstromanlage an den Polen des Mars zu bauen. Und Zukunft explorers werden sicherlich wollen die Pole zu besuchenwie es diese Regionen wahrscheinlich haben werden wertvolles Wassereis.
Die wichtigste Erkenntnis der Forschung ist, dass „sowohl Solar- als auch Kernenergie funktionieren können, aber es hängt davon ab, wo Sie landen, wie viele Menschen gehen und wie Sie Energie speichern“, sagte Abel. Interessanterweise ist die Marsoberfläche in Bezug darauf, ob Solar- oder Kernenergie die ideale Energieoption wäre, ungefähr in der Mitte aufgeteilt. In Bezug auf die Energiespeicherung stellte das Team fest, dass es am besten wäre, überschüssigen Strom zu nehmen und damit Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
„Diese Gase können problemlos bis in die Nacht in Tanks gespeichert werden, wenn die Sonnenkollektoren keine Energie produzieren. Dann verwenden wir eine Brennstoffzelle, um die in diesen Gasen gespeicherte Energie wieder in Strom umzuwandeln und Wasser zu regenerieren“, sagte Abel. „Sie haben wahrscheinlich schon von Brennstoffzellenbussen gehört, die ihre Motoren mit derselben Technologie antreiben.“
Ich fragte Abel, ob diese Erkenntnisse auf Marsmissionen übertragbar sind, die länger als 480 Tage dauern und an denen mehr als sechs Personen beteiligt sind.
„Für größere Missionen oder für eine Kolonie wird es etwas anders sein“, antwortete er. „Da die Habitate größer werden, brauchen sie mehr Strom, also muss auch Ihr Stromerzeugungssystem größer werden. Für Solarenergie muss Ihr Energiespeichersystem auch größer sein, was die Solarenergie etwas benachteiligen könnte.“
Abel glaubt jedoch, dass sich diese Ergebnisse gut auf andere Missionstypen übertragen lassen. Sobald ein Landeplatz ausgewählt und die Anzahl der Besatzungsmitglieder ausgewählt ist, könnten Missionsplaner „unsere Berechnungen verwenden, um festzustellen, ob Kernkraft oder Solarenergie an diesem Ort für diese Missionsgröße besser sind“.
Laut Abel wäre Solarenergie besser für eine Mission zum Jezero-Krater, dem Landeplatz des Perseverance-Rover der NASA, während Atomkraft die bessere Option bei Utopia Planitia wäre, wo der Rover Viking 2 gelandet ist. Diese Ergebnisse „könnten sich bei größeren Missionen ändern, aber die Berechnung für unterschiedliche Missionsgrößen zu wiederholen, ist jetzt ziemlich einfach, da wir vorhersagen können, wie viel Energie Solarzellen an einem bestimmten Ort auf dem Mars erzeugen können“, fügte er hinzu.
Mit Blick auf die Zukunft wird das Team daran arbeiten, zu bestimmen, wie viel Nahrung, Medizin und andere Ressourcen von den Mars-Bodenmannschaften benötigt werden und wie viele und welche Art von Solarmodulen diesen Bedarf decken müssten. Sie sind auch in der Hoffnung, Missionspläne zu entwerfen, die hellere Tage oder die Sommermonate während dieser Zeit berücksichtigen Marsforscher ckönnte Materialien für den Winter lagernwenn das Sonnenlicht weniger intensiv ist.