Bu sanatçının konsepti, Mars’taki astronotları ve insan yaşam alanlarını tasvir ediyor. Kredi bilgileri: NASA
Fotovoltaikler, uzun süreli konaklamalar için daha pratik olabilir Mars günümüzün hafif, esnek güneş panelleri sayesinde.
Bilim adamları tarafından yapılan yeni araştırmaya göre Kaliforniya Üniversitesi, BerkeleyMevcut güneş pili teknolojisinin yüksek verimliliği, hafifliği ve esnekliği, fotovoltaiklerin Mars’a uzun bir yolculuk için veya hatta Kızıl Gezegende kalıcı bir yerleşim için gereken tüm elektriği sağlayabileceği anlamına gelir.
Mars yüzeyinde yaşamanın lojistiğini düşünen çoğu bilim insanı ve mühendis, büyük ölçüde güvenilirliği ve 7/24 çalışması nedeniyle nükleer enerjinin en iyi seçenek olduğunu varsaymıştır. Minyatürleştirilmiş Kilopower nükleer fisyon reaktörleri son on yılda öyle bir noktaya geldi ki NASA onları güvenli, verimli ve bol bir enerji kaynağı ve gelecekteki robotik ve insan keşiflerinin anahtarı olarak görüyor.
Öte yandan güneş enerjisi, Mars’ta Dünya’da olduğu gibi yaklaşık aynı süre boyunca gece kullanılmak üzere saklanmalıdır. Ve Mars’taki her şeyi kaplayan kalıcı kırmızı toz, güneş panellerinin güç üretimini sınırlayabilir. 2019’da Mars’ta büyük bir toz fırtınasının ardından NASA’nın güneş panelleriyle çalışan neredeyse 15 yaşındaki Opportunity gezgini çalışmayı durdurdu.
Bir sanatçının, fotovoltaiklerle çalışan ve gıda ve ilaçları sentezleyebilen, biyopolimerler üretebilen ve biyolojik atıkları geri dönüştürebilen mürettebatlı bir Mars biyofabrikasını tasvir etmesi. Kredi: Davian Ho’nun yapıtları
Dergide 27 Nisan 2022’de yayınlanan yeni çalışma Astronomi ve Uzay Bilimlerinde Sınırlar, Dünya’ya dönmeden önce gezegenin yüzeyinde 480 gün kalmayı içeren altı kişilik genişletilmiş bir Mars görevi için bu iki teknolojiyi kafa kafaya karşılaştırmak için bir sistem yaklaşımı kullanıyor. Bu, iki gezegen arasındaki geçiş süresini azaltan ve yüzeyde geçen süreyi 30 günlük bir sürenin ötesine uzatan bir görev için en olası senaryodur.
Analizleri, güneş panellerinin ağırlığını ve verimliliklerini hesaba katarsanız, Mars yüzeyinin neredeyse yarısındaki yerleşim yerleri için güneş enerjisinin nükleerle karşılaştırılabilir veya daha iyi olduğunu buldu – hidrojen gazı üretmek için bir miktar gündüz enerjisi kullanıldığı sürece. Geceleri veya kum fırtınaları sırasında koloniye güç sağlamak için yakıt hücrelerinde kullanın.
“Moleküler hidrojende belirli enerji depolama konfigürasyonlarına bağlı fotovoltaik enerji üretimi, gezegen yüzeyinin %50’sinden fazlasının üzerinde, özellikle ekvator bandının etrafındaki bölgelerde, nükleer füzyon reaktörlerinden daha iyi performans gösteriyor; Araştırmanın ilk iki yazarından biri olan UC Berkeley biyomühendislik doktora öğrencisi Aaron Berliner, bunun nükleer enerji olacağı yönündeki literatüre değindi.
Mars’a seyahat eden astronotların, Dünya’dan yanlarına aldıkları güç sisteminin ağırlığını en aza indirmeleri gerekecek. Planlanan yerleşim yeri Mars’ın bu düzleştirilmiş haritasındaki sarı alandaysa, fotovoltaikler en iyi seçim olacaktır. Ayrıca, NASA’nın gezici Perseverance’ın şu anda keşfetmekte olduğu Jezero Krateri (sağ üst) dahil olmak üzere Mars’a inen önceki görevlerin yerleri de gösteriliyor. Kredi: Resim Anthony Abel ve Aaron Berliner, UC Berkeley
Çalışma, Mars kolonizasyonuna yeni bir bakış açısı getiriyor ve diğer gezegenlere veya aylara insanlı görevler planlarken hangi teknolojilerin kullanılacağına karar vermek için bir yol haritası sunuyor.
“Bu makale, hangi güç teknolojilerinin mevcut olduğuna ve bunları nasıl dağıtabileceğimize, onlar için en iyi kullanım durumlarının neler olduğuna ve nerelerde yetersiz kaldığına dair küresel bir bakış açısı getiriyor” dedi. Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümü. “İnsanlık topluca Mars’a gitmek istediğimize karar verirse, bunu güvenli bir şekilde gerçekleştirmek ve maliyeti etik bir şekilde en aza indirmek için bu tür sistem düzeyinde bir yaklaşım gereklidir. Hangi teknolojileri kullanacağımıza, Mars’ta hangi yerlere gideceğimize, nasıl gideceğimize ve kimi getireceğimize karar verirken seçenekler arasında net bir karşılaştırma yapmak istiyoruz.”
Daha uzun görevler daha fazla güç gerektirir
Geçmişte, NASA’nın Mars’taki astronotların güç ihtiyaçlarıyla ilgili tahminleri, genellikle gıda yetiştirmek, inşaat malzemeleri üretmek veya kimyasallar üretmek için güce aç süreçler gerektirmeyen kısa süreli konaklamalara odaklanmıştı. Ancak NASA ve şirket liderleri şimdi Mars’a gidebilecek roketler inşa ederken – CEO’su Elon Musk da dahil olmak üzere. Uzay Xve Blue Origin’in kurucusu Jeff Bezos – uzun vadeli, gezegen dışı yerleşimler fikrinden bahsediyorlar, daha büyük ve daha güvenilir güç kaynaklarının dikkate alınması gerekiyor.
Buradaki zorluk, tüm bu malzemelerin, kilo başına yüz binlerce dolarlık bir maliyetle Dünya’dan Mars’a taşınması gerektiği ve bu da düşük ağırlığın gerekli olmasıdır.
Mars’taki insanlar, hayatta kalmak için ihtiyaç duydukları her şeyi yapmak için mevcut tek ham maddeleri – su buzu, atmosferik gazlar, Mars toprağı ve güneş ışığı – kullanmaları gerekecekti. UC Berkeley merkezli CUBES’tekiler gibi araştırmacılar, bu hammaddeleri gıda, ilaç, yakıt ve yapı malzemelerine dönüştürmenin yolları üzerinde çalışıyorlar. Bu akış şeması, yerinde kaynak kullanımının (ISRU), hammaddeleri, gıda ve ilaçları (FPS) sentezlemek ve ekip tarafından kullanılmak üzere biyopolimerler (ISM) üretmek için kullanılabilecek bir forma nasıl dönüştürdüğünü gösterir. Verimliliği en üst düzeye çıkarmak ve Dünya’dan tedarik lojistiği maliyetini azaltmak için atık toplanır ve yeniden kullanılır (döngü kapatma veya LC). Kredi: Aaron Berliner ve Davian Ho, UC Berkeley tarafından yapılan çizim
Temel ihtiyaçlardan biri, gıda, roket yakıtı, plastik malzemeler ve ilaçlar dahil kimyasallar üretmek için genetiğiyle oynanmış mikropları kullanan biyo-üretim tesisleri için güçtür. Abel, Berliner ve ortak yazarları, bir koloni için gerekli malzemeleri sağlamak için sentetik biyolojinin gen yerleştirme tekniklerini kullanarak mikropları değiştirmeye yönelik çok üniversiteli bir çaba olan Uzayda Biyolojik Mühendislik Kullanımı Merkezi’nin (CUBES) üyeleridir.
Ancak iki araştırmacı, genişletilmiş bir görev için ne kadar gücün bulunacağını bilmeden, birçok biyo-üretim sürecinin pratikliğini değerlendirmenin imkansız olduğunu keşfetti. Bu nedenle, çeşitli güç kaynağı senaryolarının bilgisayarlı bir modelini ve sıcaklık ve basınç kontrolünü içeren habitat bakımı gibi tarım için gübre üretimi, roket iticilerinin Dünya’ya dönmesi için metan üretimi ve biyoplastik üretimi gibi olası güç taleplerinin bilgisayarlı bir modelini oluşturmaya başladılar. yedek parça üretimi için.
Bir Kilopower nükleer sistemine karşı üç güç depolama seçeneğine sahip fotovoltaikler vardı: piller ve güneş enerjisinden hidrojen gazı üretmek için iki farklı teknik – elektroliz ve doğrudan fotoelektrokimyasal hücreler tarafından. Sonraki durumlarda, hidrojen basınçlandırılır ve daha sonra güneş panelleri olmadığında güç üretmek için bir yakıt hücresinde kullanılmak üzere depolanır.
Yalnızca elektrolizli fotovoltaik güç – suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için elektriği kullanarak – nükleer güçle rekabet edebilirdi: Gezegenin yüzeyinin neredeyse yarısında, kilogram başına nükleerden daha uygun maliyetli olduğunu kanıtladı.
Ana kriter ağırlıktı. Araştırmacılar, bir mürettebatı Mars’a taşıyan bir roketin yakıt hariç yaklaşık 100 tonluk bir yük taşıyabileceğini varsaydılar ve bu yükün ne kadarının gezegenin yüzeyinde kullanılmak üzere bir güç sistemine ayrılması gerektiğini hesapladılar. Mars’a gidiş-dönüş bir yolculuk yaklaşık 420 gün, her yön için 210 gün sürecektir. Şaşırtıcı bir şekilde, bir güç sisteminin ağırlığının tüm taşıma yükünün %10’undan daha az olacağını buldular.
Örneğin, ekvator yakınındaki bir iniş alanı için, güneş panelleri artı hidrojen depolamanın ağırlığının, bir Kilopower nükleer reaktör sistemi için 9,5 tona karşılık yaklaşık 8,3 ton olacağını tahmin ettiler.
Modelleri ayrıca, Mars’taki farklı koşullar için verimliliği en üst düzeye çıkarmak için fotovoltaik panellerin nasıl değiştirileceğini de belirtir. Örneğin, enlem güneş ışığının yoğunluğunu etkilerken, atmosferdeki toz ve buz daha uzun dalga boylarında ışık saçabilir.
Fotovoltaikteki gelişmeler
Abel, fotovoltaiklerin artık güneş ışığını elektriğe dönüştürmede oldukça verimli olduğunu, ancak en iyi performans gösterenlerin hala pahalı olduğunu söyledi. Ancak en önemli yenilik, giden rokette depolamayı kolaylaştıran ve nakliye maliyetini azaltan hafif ve esnek bir güneş panelidir.
“Çatınızda bulunan, çelik konstrüksiyonlu, cam destekli vb. silikon paneller, yeni ve geliştirilmiş nükleerle rekabet etmeyecek, ancak daha yeni hafif, esnek paneller birdenbire bu konuşmayı gerçekten, gerçekten değiştirecek, dedi Abel.
Ayrıca, daha hafif ağırlığın, daha fazla panelin Mars’a taşınabileceği anlamına geldiğini ve başarısız olan herhangi bir panel için yedek sağlanacağını belirtti. Kilowatt nükleer santraller daha fazla güç sağlarken, daha azına ihtiyaç duyulur, bu nedenle eğer biri çökerse koloni gücünün önemli bir bölümünü kaybeder.
Aynı zamanda nükleer mühendislik diploması da alan Berliner, projeye nükleer enerjiye yönelik bir önyargı ile girerken, lisans tezi fotovoltaikteki yenilikler hakkında olan Abel, daha çok güneş enerjisinden yanaydı.
Berliner, “Bu makalenin gerçekten nükleer ve güneş enerjisinin esasına ilişkin sağlıklı bir bilimsel ve mühendislik anlaşmazlığından kaynaklandığını ve işin gerçekten sadece bizim bir bahsi çözmeye ve bahse girmeye çalıştığımızı hissediyorum” dedi. “Bunu yayınlamak için seçtiğimiz konfigürasyonlara dayanarak kaybettiğimi düşünüyorum. Ama tabii ki mutlu bir kayıp.”
Referans: Anthony J. Abel, Aaron J. Berliner, Mia Mirkovic, William D. Collins, Adam P. Arkin ve Douglas S. Clark, 27 Nisan 2022, “Fotovoltaik Güdümlü Güç Üretimi, Mars’ta İnsan Keşiflerini Destekleyebilir”, Astronomi ve Uzay Bilimlerinde Sınırlar.
DOI: 10.3389/fspas.2022.868519
Makalenin diğer ortak yazarları, UC Berkeley’de Berkeley Sensör ve Aktüatör Merkezi’nde araştırmacı olan Mia Mirkovic; William Collins, UC Berkeley’de dünya ve gezegen bilimi profesörü ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda (Berkeley Lab) kıdemli bilim insanı; CUBES direktörü Adam Arkin ve UC Berkeley Biyomühendislik Bölümü’nde Dekan A. Richard Newton Memorial Profesörü; ve Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümü’nde Gilbert Newton Lewis Profesörü ve Kimya Koleji dekanı Douglas Clark. Arkin ve Clark aynı zamanda Berkeley Lab’de kıdemli öğretim üyeleridir.
Çalışma, NASA (NNX17AJ31G) ve Ulusal Bilim Vakfı’ndan (DGE1752814) lisansüstü araştırma bursları tarafından finanse edildi.