Большинство ученых и инженеров, которые думали о логистике жизни на поверхности Красной планеты, предположили, что ядерная энергетика является лучшей альтернативой, во многом из-за ее надежности и работы в режиме 24/7. За последнее десятилетие миниатюрные реакторы ядерного деления мощностью в киловатт продвинулись настолько, что НАСА считает их безопасным, эффективным и обильным источником энергии и ключом к будущим исследованиям роботизированными и человеческими силами.

Солнечная энергия, с другой стороны, должна храниться для использования ночью, которая на Марсе длится примерно столько же времени, сколько и на Земле. А на Марсе выработка энергии солнечными панелями может быть снижена из-за вездесущей красной пыли, которая покрывает все вокруг. Марсоход Opportunity, работающий на солнечных батареях почти 15-летней давности, перестал работать после мощной пылевой бури на Марсе в 2019 году.

Новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Рубежи в астрономии и космических науках, использует системный подход, чтобы фактически сравнить эти две технологии лицом к лицу для расширенной миссии из шести человек на Марс, включающей 480-дневное пребывание на поверхности планеты перед возвращением на Землю. Это наиболее вероятный сценарий для миссии, которая сокращает время прохождения между двумя планетами и продлевает время пребывания на поверхности за пределы 30-дневного окна.

Их анализ показал, что для поселений почти на половине поверхности Марса солнечная энергия сопоставима или лучше ядерной, если принять во внимание вес солнечных панелей и их эффективность - при условии, что часть дневной энергии используется для производства газообразного водорода для использования в топливных элементах для питания колонии ночью. или во время песчаных бурь.

"Выработка фотоэлектрической энергии в сочетании с определенными конфигурациями накопления энергии в молекулярном водороде превосходит возможности реакторов ядерного синтеза на 50% поверхности планеты, главным образом в тех регионах вокруг экваториальной полосы, что довольно резко контрастирует с тем, что предлагалось снова и снова в литературе, а именно, что это будет ядерная энергетика", - сказал докторант биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли Аарон Берлинер, один из двух первых авторов статьи.

Исследование дает новый взгляд на колонизацию Марса и предоставляет дорожную карту для принятия решения о том, какие другие технологии следует использовать при планировании пилотируемых миссий на другие планеты или спутники.

"В этой статье рассматривается глобальный взгляд на то, какие энергетические технологии доступны и как мы могли бы их внедрить, каковы наилучшие варианты их использования и где они терпят неудачу", - сказал соавтор Энтони Абель, аспирант кафедры химической и биомолекулярной инженерии. "Если человечество коллективно решит, что мы хотим отправиться на Марс, такой подход на системном уровне необходим, чтобы выполнить это безопасно и минимизировать затраты этичным способом. Мы хотим провести четкое сравнение между вариантами, независимо от того, решаем ли мы, какие технологии использовать, в какие места отправиться на Марсе, как отправиться 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 кратковременном пребывании, которое не требует энергоемких процессов для выращивания продуктов питания, производства строительных материалов или химических веществ. Но поскольку НАСА и руководители компаний, которые сейчас строят ракеты, которые могли бы отправиться на Марс, включая Илона Маска, генерального директора SpaceX, и Джеффа Безоса, основателя Blue Origin, обсуждают идею долгосрочных внеземных поселений, необходимо рассмотреть более крупные и надежные источники энергии.

Сложность заключается в том, что все эти материалы должны быть доставлены с Земли на Марс по цене в сотни тысяч долларов за фунт, что делает необходимым малый вес.

Одной из ключевых потребностей является энергия для объектов биомедицины, которые используют генетически модифицированные микробы для производства продуктов питания, ракетного топлива, пластмасс и химикатов, включая лекарства. Абель, Берлинер и их соавторы являются членами Центра использования биологической инженерии в космосе (CUBES), мультиуниверситетской организации, занимающейся усовершенствованием микробов с использованием методов синтетической биологии для введения генов для обеспечения колонии необходимыми материалами.

Однако два исследователя обнаружили, что, не зная, сколько энергии будет доступно для длительной миссии, невозможно оценить практичность многих процессов биомоделирования. Итак, они задались целью создать компьютеризированную модель различных сценариев энергоснабжения и вероятных потребностей в электроэнергии, таких как поддержание среды обитания, которая включает контроль температуры и давления, производство удобрений для сельского хозяйства, производство метана для ракетного топлива для возвращения на Землю и производство биопластика для изготовления запасных частей.

Против ядерной системы мощностью в киловатт были фотоэлектрические системы с тремя вариантами накопления энергии: батареями и двумя различными методами получения 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 выработки энергии, когда солнечные панели не работают.

Только фотоэлектрическая энергия с электролизом - использование электричества для расщепления воды на водород и кислород - могла конкурировать с ядерной энергией: она оказалась более рентабельной 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 без учета топлива, и подсчитали, сколько из этой полезной нагрузки потребуется для энергосистемы для использования на поверхности планеты. Путешествие на Марс и обратно заняло бы около 420 дней - по 210 дней в каждую сторону. Удивительно, но они обнаружили, что вес энергосистемы составит менее 10% от всей полезной нагрузки.

Например, для посадочной площадки вблизи экватора они подсчитали, что вес солнечных панелей плюс хранилища водорода составит около 8,3 тонны против 9,5 тонн для системы ядерных реакторов мощностью в киловатт.

Их модель также определяет, как настроить фотоэлектрические панели для максимальной эффективности в различных условиях на объектах на Марсе. Например, широта влияет на интенсивность солнечного света, в то время как пыль и лед в атмосфере могут рассеивать свет с большей длиной волны.

Достижения в области фотовольтаики

Абель сказал, что фотоэлектрические системы в настоящее время очень эффективны при преобразовании солнечного света в электричество, хотя лучшие из них по-прежнему дороги. Однако самым важным нововведением является легкая и гибкая солнечная панель, которая облегчает хранение на ракете-носителе и снижает стоимость транспортировки.

"Кремниевые 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 меняют этот разговор", - сказал Абель.

Он также отметил, что меньший вес означает, что на Марс можно транспортировать больше панелей, обеспечивая резервную копию для 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 новым инновациям в области фотовольтаики, больше отдавал предпочтение солнечной энергии.

"Я чувствую, что эта статья действительно проистекает из здорового научного и инженерного разногласия по поводу преимуществ ядерной энергии по сравнению с солнечной, и что на самом деле работа заключается в том, что мы просто пытаемся выяснить и урегулировать спор", - сказал Берлинер. "который, я думаю, я потерял, основываясь на конфигурациях, которые мы выбрали для публикации этого. Но это, конечно, счастливая потеря".

Другими соавторами статьи являются Миа Миркович, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли в Центре датчиков и исполнительных механизмов Беркли; Уильям Коллинз, постоянный профессор наук о земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли и старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab); Адам Аркин, директор CUBES и декан А. Профессор мемориала Ричарда Ньютона на кафедре биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли; и Дуглас Кларк, профессор Гилберта Ньютона Льюиса на кафедре химической и биомолекулярной инженерии и декан химического колледжа. Аркин и Кларк также являются старшими научными сотрудниками лаборатории Беркли.

Работа финансировалась НАСА (NNX17AJ31G) и стипендиями для аспирантов Национального научного фонда (DGE1752814).