Солнечная энергия побеждает ядерную во многих потенциальных местах поселения на Марсе

Высокая эффективность, малый вес и гибкость новейших технологий солнечных батарей означают, что фотоэлектричество может обеспечить всю необходимую энергию для длительной миссии на Марс или даже для постоянного поселения на нем, согласно новому анализу, проведенному учеными Калифорнийского университета в Беркли.

Большинство ученых и инженеров, которые задумывались о логистике жизни на поверхности Красной планеты, предполагали, что ядерная энергия является лучшей альтернативой, в основном из-за ее надежности и круглосуточной работы. За последнее десятилетие миниатюрные реакторы деления атомных электростанций мощностью в килокалории достигли такого уровня, что НАСА считает их безопасным, эффективным и изобильным источником энергии, а также ключевым фактором для будущих исследований с помощью роботов и человека.

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 производство энергии солнечными батареями может быть снижено из-за вездесущей красной пыли, которая покрывает все вокруг. Почти 15-летний марсоход НАСА Opportunity, питающийся от солнечных батарей, перестал работать после сильной пыльной бури на Марсе в 2019 году.

В новом исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences, используется системный подход, чтобы сравнить эти две технологии между собой для длительной миссии на Марс, рассчитанной на шесть человек и предусматривающей 480-дневное пребывание на поверхности планеты перед возвращением на Землю. Это наиболее вероятный сценарий для миссии, которая сократит время транзита между двумя планетами и продлит время пребывания на поверхности за пределы 30-дневного окна.

Астронавтам, отправляющимся на Марс, необходимо минимизировать вес энергосистемы, которую они возьмут с собой с Земли. Фотоэлектрические системы будут наилучшим выбором, если планируемое место поселения находится в желтой зоне на этой сплющенной карте Марса. Также показаны места посадок предыдущих миссий на Марс, включая кратер Джезеро (вверху справа), который сейчас исследует марсоход НАСА Perseverance. (Фотография предоставлена Энтони Абелем и Аароном Берлинером, Калифорнийский университет в Беркли)

Их анализ показал, что для мест поселения на почти половине 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 использования в топливных элементах для питания колонии ночью или во время песчаных бурь.

"Фотоэлектрическая генерация энергии в сочетании с определенными конфигурациями хранения энергии в молекулярном водороде превосходит ядерные термоядерные реакторы на 50% поверхности планеты, в основном в регионах вокруг экваториальной полосы, что довольно резко контрастирует с тем, что неоднократно предлагалось в литературе, а именно, что это будет ядерная энергия", - сказал докторант биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли Аарон Берлинер, один из двух первых авторов работы.

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

"В этой работе рассматривается глобальный взгляд на доступные энергетические технологии и на то, как мы можем их использовать, каковы наилучшие варианты их применения и где они не работают", - сказал соавтор работы Энтони Абель, аспирант кафедры химической и биомолекулярной инженерии. "Если человечество коллективно решит, что мы хотим полететь на Марс, такой подход на уровне систем необходим для того, чтобы осуществить это безопасно и с минимальными затратами, соблюдая этические нормы. Мы хотим иметь четкое сравнение между вариантами, независимо от того, решаем ли мы, какие технологии использовать, в какие места на Марсе отправиться, как отправиться и кого взять с собой".

Более длительные миссии требуют больше энергии

В прошлом оценки НАСА потребностей астронавтов на Марсе в электроэнергии обычно ориентировались на короткие миссии, которые не требуют энергоемких процессов для выращивания пищи, производства строительных материалов или химических веществ. Но поскольку НАСА и руководители компаний, которые сейчас строят ракеты, способные отправиться на Марс, включая Элона Маска, генерального директора SpaceX, и Джеффа Безоса, основателя Blue Origin, обсуждают идею долгосрочных внепланетных поселений, необходимо рассмотреть более крупные и надежные источники энергии.

Иллюстрация концептуальной системы Kilopower с делящейся поверхностью на Луне. (Изображение любезно предоставлено НАСА)

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 малый вес крайне важным.

Одной из ключевых потребностей является электропитание для биопроизводств, в которых используются генетически модифицированные микробы для производства продуктов питания, ракетного топлива, пластиковых материалов и химических веществ, включая лекарства. Абель, Берлинер и их соавторы являются членами Центра по использованию биологической инженерии в космосе (CUBES) - многоуниверситетского проекта по модификации микробов с помощью методов введения генов синтетической биологии для обеспечения колонии необходимыми материалами.

Однако два исследователя обнаружили, что, не зная, сколько энергии будет доступно для длительной миссии, невозможно оценить практичность многих процессов биопроизводства. Поэтому они решили создать компьютерную модель различных сценариев энергоснабжения и вероятных потребностей в электроэнергии, таких как поддержание среды обитания, включающее 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 Kilopower были выбраны фотоэлектрические батареи с тремя вариантами хранения энергии: аккумуляторы и два различных метода получения газообразного водорода из солнечной энергии - путем электролиза и непосредственно с помощью фотоэлектрохимических элементов. В последнем случае водород находится под давлением и хранится для последующего использования в топливном элементе для производства энергии, когда солнечные панели не работают.

Только фотоэлектрическая энергия с электролизом - использованием электричества для расщепления воды на водород и кислород - оказалась конкурентоспособной по сравнению с ядерной энергией: она оказалась более рентабельной в расчете на килограмм, чем ядерная, на почти 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 рассчитали, сколько из этой полезной нагрузки придется отвести на энергосистему для использования на поверхности планеты. Путешествие на Марс и обратно займет около 420 дней - по 210 дней в каждую сторону. Удивительно, но они обнаружили, что вес энергосистемы составит менее 10% от всего полезного груза.

Например, для посадочной площадки вблизи экватора, по их расчетам, вес солнечных панелей и водородного хранилища составит около 8,3 тонн, в то время как вес ядерного реактора Kilopower - 9,5 тонн.

Их модель также определяет, как настроить фотоэлектрические панели для достижения максимальной эффективности в различных условиях на Марсе. Например, широта влияет на интенсивность солнечного света, а пыль и лед в атмосфере могут рассеивать свет более длинных волн.

Достижения в области фотовольтаики

Абель сказал, что фотоэлектрические батареи сейчас очень эффективно преобразуют солнечный свет в электроэнергию, хотя лучшие из них все еще дороги. Однако наиболее важной новинкой является легкая и гибкая солнечная панель, которая облегчает хранение на вылетающей ракете и снижает стоимость транспортировки.

Людям на Марсе придется использовать единственное доступное сырье - водяной лед, атмосферные газы, марсианский грунт и солнечный свет - для производства всего необходимого для выживания. Исследователи, такие как сотрудники CUBES, работают над тем, как превратить это сырье в пищу, лекарства, топливо и конструкционные материалы. Эта блок-схема показывает, как использование ресурсов на месте (ISRU) превращает сырье в форму, которая может быть использована для синтеза пищевых и фармацевтических продуктов (FPS) и производства биополимеров (ISM) для использования экипажем. Отходы собираются и повторно используются (замыкание цикла, или LC) для достижения максимальной эффективности и снижения стоимости логистики поставок с Земли. (Иллюстрация предоставлена Аароном Берлинером и Дэвианом Хо, Калифорнийский университет в Беркли)

"Кремниевые панели, которые стоят у вас на крыше, со стальной конструкцией, стеклянной подложкой и так далее, просто не смогут конкурировать с новыми и улучшенными ядерными, но новые легкие, гибкие панели внезапно очень, очень меняют этот разговор", - сказал Абель.

Он также отметил, что меньший вес означает, что больше панелей можно доставить на Марс, обеспечив резерв для любых панелей, которые выйдут из строя. Хотя киловаттные атомные электростанции дают больше энергии, их требуется меньше, поэтому если одна из них выйдет из строя, колония потеряет значительную часть энергии.

Берлинер, который также получает степень в области ядерной инженерии, подошел к проекту с уклоном в сторону ядерной энергетики, в то время как Абель, чья дипломная работа была посвящена новым инновациям в области фотовольтаики, больше склонялся в пользу солнечной энергии.

"Мне кажется, что эта работа действительно вытекает из здоровых научных и инженерных разногласий по поводу достоинств ядерной и солнечной энергии, и что на самом деле эта работа - просто наша попытка выяснить и разрешить спор", - сказал Берлинер. "И я думаю, что проиграл, судя по конфигурации, которую мы выбрали для публикации. Но это, конечно, счастливый проигрыш".

Другими соавторами статьи являются Миа Миркович, научный сотрудник Центра датчиков и приводов Беркли; Уильям Коллинз, профессор-резидент Калифорнийского университета в Беркли по наукам о Земле и планетах и старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab); Адам Аркин, директор CUBES и Дин А. Ричарда Ньютона на факультете биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли; и Дуглас Кларк, профессор Гилберт Ньютон Льюис на факультете химической и биомолекулярной инженерии и декан Химического колледжа. Аркин и Кларк также являются старшими научными сотрудниками Лаборатории Беркли.