An vielen potenziellen Siedlungsstandorten auf dem Mars schlägt die Sonne die Kernenergie

Der hohe Wirkungsgrad, das geringe Gewicht und die Flexibilität der neuesten Solarzellentechnologie bedeuten, dass die Photovoltaik laut einer neuen Analyse von Wissenschaftlern der University of California, Berkeley, die gesamte Energie liefern könnte, die für eine ausgedehnte Mission zum Mars oder sogar für eine dauerhafte Besiedlung dort benötigt wird .

Die meisten Wissenschaftler und Ingenieure, die über die Logistik des Lebens auf der Oberfläche des Roten Planeten nachgedacht haben, sind davon ausgegangen, dass Atomkraft die beste Alternative ist, zum großen Teil wegen ihrer Zuverlässigkeit und ihres 24/7-Betriebs. In den letzten zehn Jahren haben sich miniaturisierte Kilopower-Kernspaltungsreaktoren zu einem Punkt entwickelt, an dem die NASA sie als sichere, effiziente und reichlich vorhandene Energiequelle und als Schlüssel für die zukünftige Erforschung durch Roboter und Menschen betrachtet.

Solarstrom hingegen muss für die Nacht gespeichert werden, die auf dem Mars ungefähr so ​​lange reicht wie auf der Erde. Und auf dem Mars kann die Stromerzeugung der Solarmodule durch den allgegenwärtigen roten Staub, der alles bedeckt, reduziert werden. Der fast 15 Jahre alte Opportunity-Rover der NASA, der von Sonnenkollektoren angetrieben wird, funktionierte nach einem massiven Staubsturm auf dem Mars im Jahr 2019 nicht mehr.

Die neue Studie, veröffentlicht diese Woche in der Zeitschrift Grenzen in Astronomie und Weltraumwissenschaften, verwendet einen Systemansatz, um diese beiden Technologien für eine erweiterte Mission mit sechs Personen zum Mars tatsächlich direkt zu vergleichen, die einen 480-tägigen Aufenthalt auf der Oberfläche des Planeten vor der Rückkehr zur Erde umfasst. Das ist das wahrscheinlichste Szenario für eine Mission, die die Transitzeit zwischen den beiden Planeten verkürzt und die Zeit auf der Oberfläche über ein 30-Tage-Fenster hinaus verlängert.

Ihre Analyse ergab, dass für Siedlungsgebiete auf fast der Hälfte der Marsoberfläche Solarenergie vergleichbar oder besser ist als Kernenergie, wenn man das Gewicht der Solarmodule und ihre Effizienz berücksichtigt – solange etwas Tagesenergie zur Erzeugung von Wasserstoffgas verwendet wird Verwendung in Brennstoffzellen, um die Kolonie nachts oder während Sandstürmen mit Strom zu versorgen.

„Photovoltaische Energieerzeugung, die mit bestimmten Energiespeicherkonfigurationen in molekularem Wasserstoff gekoppelt ist, übertrifft Kernfusionsreaktoren auf über 50 % der Erdoberfläche, hauptsächlich in den Regionen um das Äquatorband, was in ziemlich scharfem Gegensatz zu dem steht, was immer wieder vorgeschlagen wurde der Literatur, nämlich dass es Atomkraft sein wird“, sagte Aaron Berliner, Doktorand für Bioingenieurwesen an der UC Berkeley, einer der beiden Erstautoren der Arbeit.

Die Studie bietet eine neue Perspektive auf die Besiedlung des Mars und einen Fahrplan für die Entscheidung, welche anderen Technologien eingesetzt werden sollen, wenn bemannte Missionen zu anderen Planeten oder Monden geplant werden.

„Dieses Papier wirft einen globalen Überblick darüber, welche Energietechnologien verfügbar sind und wie wir sie einsetzen könnten, was die besten Anwendungsfälle für sie sind und wo sie zu kurz kommen“, sagte Co-Erstautor Anthony Abel, ein Doktorand in das Institut für Chemische und Biomolekulare Verfahrenstechnik. „Wenn die Menschheit gemeinsam beschließt, zum Mars zu fliegen, ist diese Art von Ansatz auf Systemebene notwendig, um dies sicher zu erreichen und die Kosten auf eine ethisch vertretbare Weise zu minimieren. Wir wollen einen klaren Vergleich zwischen Optionen haben, ob wir Entscheiden Sie, welche Technologien verwendet werden sollen, welche Orte auf dem Mars besucht werden sollen, wie Sie reisen und wen Sie mitbringen.

Längere Missionen haben einen höheren Energiebedarf

In der Vergangenheit konzentrierten sich die Schätzungen der NASA zum Energiebedarf von Astronauten auf dem Mars im Allgemeinen auf kurze Aufenthalte, die keine energiehungrigen Prozesse zum Anbau von Nahrungsmitteln, zur Herstellung von Baumaterialien oder zur Herstellung von Chemikalien erfordern. Aber während die NASA und Leiter von Unternehmen, die jetzt Raketen bauen, die zum Mars fliegen könnten – darunter Elon Musk, CEO von SpaceX, und Jeff Bezos, Gründer von Blue Origin – sprechen sie die Idee von langfristigen Siedlungen außerhalb des Planeten an, größer und mehr Zuverlässige Stromquellen müssen in Betracht gezogen werden.

Die Komplikation besteht darin, dass all diese Materialien zu einem Preis von Hunderttausenden von Dollar pro Pfund von der Erde zum Mars transportiert werden müssen, was ein geringes Gewicht unerlässlich macht.

Ein wichtiger Bedarf ist Energie für Bioproduktionsanlagen, die gentechnisch veränderte Mikroben verwenden, um Lebensmittel, Raketentreibstoff, Kunststoffmaterialien und Chemikalien, einschließlich Medikamente, herzustellen. Abel, Berliner und ihre Co-Autoren sind Mitglieder des Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES), einem universitätsübergreifenden Versuch, Mikroben mithilfe der Gen-Insertionstechniken der synthetischen Biologie zu optimieren, um die notwendige Versorgung einer Kolonie zu gewährleisten.

Die beiden Forscher stellten jedoch fest, dass es unmöglich war, die Praktikabilität vieler biologischer Herstellungsverfahren zu beurteilen, ohne zu wissen, wie viel Energie für eine längere Mission verfügbar sein wird. Also machten sie sich daran, ein computerisiertes Modell verschiedener Stromversorgungsszenarien und wahrscheinlicher Energieanforderungen zu erstellen, wie z. B. die Erhaltung von Lebensräumen – einschließlich Temperatur- und Druckkontrolle – Düngemittelproduktion für die Landwirtschaft, Methanproduktion für Raketentreibstoffe zur Rückkehr zur Erde und Biokunststoffproduktion zur Herstellung von Ersatzteilen.

Einem Kilopower-Atomsystem stand die Photovoltaik mit drei Optionen zur Energiespeicherung gegenüber: Batterien und zwei verschiedene Techniken zur Erzeugung von Wasserstoffgas aus Sonnenenergie – durch Elektrolyse und direkt durch photoelektrochemische Zellen. In letzteren Fällen wird der Wasserstoff unter Druck gesetzt und für die spätere Verwendung in einer Brennstoffzelle gespeichert, um Strom zu erzeugen, wenn die Solarmodule nicht vorhanden sind.

Nur Photovoltaik mit Elektrolyse – die Strom zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff nutzt – war mit Atomkraft konkurrenzfähig: Auf fast der Hälfte der Erdoberfläche erwies sie sich pro Kilogramm als kostengünstiger als Atomkraft.

Das Hauptkriterium war das Gewicht. Die Forscher gingen davon aus, dass eine Rakete, die eine Besatzung zum Mars befördert, eine Nutzlast von etwa 100 Tonnen ohne Treibstoff tragen könnte, und berechneten, wie viel dieser Nutzlast für ein Energiesystem zur Verwendung auf der Planetenoberfläche aufgewendet werden müsste. Eine Reise zum und vom Mars würde ungefähr 420 Tage dauern – 210 Tage pro Strecke. Überraschenderweise stellten sie fest, dass das Gewicht eines Antriebssystems weniger als 10 % der gesamten Nutzlast ausmachen würde.

Für einen Landeplatz in der Nähe des Äquators schätzten sie beispielsweise, dass das Gewicht von Solarmodulen plus Wasserstoffspeicher etwa 8,3 Tonnen betragen würde, gegenüber 9,5 Tonnen für ein Kilopower-Kernreaktorsystem.

Ihr Modell legt auch fest, wie Photovoltaikmodule optimiert werden können, um die Effizienz für die unterschiedlichen Bedingungen an Standorten auf dem Mars zu maximieren. Der Breitengrad beeinflusst beispielsweise die Intensität des Sonnenlichts, während Staub und Eis in der Atmosphäre Licht mit längeren Wellenlängen streuen können.

Fortschritte in der Photovoltaik

Abel sagte, dass die Photovoltaik jetzt sehr effizient Sonnenlicht in Strom umwandelt, obwohl die besten Leistungsträger immer noch teuer sind. Die wichtigste Neuerung ist jedoch ein leichtes und flexibles Solarpanel, das die Lagerung auf der abfliegenden Rakete vereinfacht und die Transportkosten senkt.

„Die Silikonpaneele, die Sie auf Ihrem Dach haben, mit Stahlkonstruktion, Glasrückseite usw., werden einfach nicht mit der neuen und verbesserten Kernkraft konkurrieren, aber neuere leichte, flexible Paneele ändern plötzlich wirklich, wirklich diese Konversation. “, sagte Abel.

Er merkte auch an, dass ein geringeres Gewicht bedeutet, dass mehr Panels zum Mars transportiert werden können, was eine Reserve für alle Panels darstellt, die ausfallen. Während Kilowatt-Kernkraftwerke mehr Strom liefern, werden weniger benötigt, sodass die Kolonie einen erheblichen Teil ihrer Energie verlieren würde, wenn eines ausfällt.

Berliner, der auch einen Abschluss in Nukleartechnik anstrebt, kam mit einer Vorliebe für Atomkraft in das Projekt, während Abel, dessen Bachelorarbeit sich mit neuen Innovationen in der Photovoltaik befasste, eher für Solarenergie war.

„Ich habe das Gefühl, dass dieses Papier wirklich aus einer gesunden wissenschaftlichen und technischen Meinungsverschiedenheit über die Vorzüge von Kernkraft gegenüber Solarenergie stammt, und dass die Arbeit wirklich nur darin besteht, dass wir versuchen, eine Wette herauszufinden und zu begleichen“, sagte Berliner. „was ich glaube ich verloren habe, basierend auf den Konfigurationen, die wir gewählt haben, um dies zu veröffentlichen. Aber es ist sicher ein glücklicher Verlust.“

Weitere Co-Autoren der Veröffentlichung sind Mia Mirkovic, Forscherin an der UC Berkeley am Berkeley Sensor and Actuator Center; William Collins, UC Berkeley Residenzprofessor für Erd- und Planetenwissenschaften und leitender Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab); Adam Arkin, CUBES-Direktor und Dean A. Richard Newton Memorial Professor am Department of Bioengineering der UC Berkeley; und Douglas Clark, Gilbert-Newton-Lewis-Professor am Department of Chemical and Biomolecular Engineering und Dekan des College of Chemistry. Arkin und Clark sind auch leitende Fakultätswissenschaftler am Berkeley Lab.