Het hoge rendement, het lichte gewicht en de flexibiliteit van de nieuwste zonneceltechnologie betekent dat fotovoltaïsche cellen alle stroom kunnen leveren die nodig is voor een uitgebreide missie naar Mars, of zelfs een permanente vestiging daar, volgens een nieuwe analyse door wetenschappers van de University of California, Berkeley .
De meeste wetenschappers en ingenieurs die hebben nagedacht over de logistiek van het leven op het oppervlak van de Rode Planeet, zijn ervan uitgegaan dat kernenergie het beste alternatief is, grotendeels vanwege de betrouwbaarheid en 24/7 werking. In het afgelopen decennium zijn geminiaturiseerde Kilopower kernsplijtingsreactoren zo ver gevorderd dat NASA ze beschouwt als een veilige, efficiënte en overvloedige energiebron en de sleutel tot toekomstige robot- en menselijke verkenning.
Zonne-energie daarentegen moet worden opgeslagen voor gebruik ’s nachts, wat op Mars ongeveer even lang duurt als op aarde. En op Mars kan de stroomproductie van zonnepanelen worden verminderd door het alomtegenwoordige rode stof dat alles bedekt. NASA’s bijna 15 jaar oude Opportunity-rover, aangedreven door zonnepanelen, stopte met werken na een enorme stofstorm op Mars in 2019.
De nieuwe studie, deze week gepubliceerd in het tijdschrift Frontiers in Astronomy and Space Sciences, gebruikt een systeembenadering om deze twee technologieën daadwerkelijk met elkaar te vergelijken voor een uitgebreide missie voor zes personen naar Mars met een verblijf van 480 dagen op de planeet. oppervlak alvorens terug te keren naar de aarde. Dat is het meest waarschijnlijke scenario voor een missie die de transittijd tussen de twee planeten verkort en de tijd op het oppervlak verlengt tot meer dan 30 dagen.
Uit hun analyse bleek dat zonne-energie voor nederzettingen op bijna de helft van het oppervlak van Mars vergelijkbaar of beter is dan nucleair, als je rekening houdt met het gewicht van de zonnepanelen en hun efficiëntie – zolang er overdag energie wordt gebruikt om waterstofgas te produceren voor gebruik in brandstofcellen om de kolonie ’s nachts of tijdens zandstormen van stroom te voorzien.
“Fotovoltaïsche energieopwekking gekoppeld aan bepaalde energieopslagconfiguraties in moleculaire waterstof presteert beter dan kernfusiereactoren over 50% van het aardoppervlak, voornamelijk in die regio’s rond de equatoriale band, wat in vrij scherp contrast staat met wat keer op keer is voorgesteld in de literatuur, namelijk dat het kernenergie zal zijn”, zegt UC Berkeley bio-engineering doctoraatsstudent Aaron Berliner, een van de twee eerste auteurs van het artikel.
advertentie
De studie geeft een nieuw perspectief op de kolonisatie van Mars en biedt een routekaart om te beslissen welke andere technologieën moeten worden ingezet bij het plannen van bemande missies naar andere planeten of manen.
“Dit artikel geeft een globaal overzicht van welke energietechnologieën beschikbaar zijn en hoe we ze kunnen inzetten, wat de beste use-cases voor hen zijn en waar ze tekortschieten”, zegt co-eerste auteur Anthony Abel, een afgestudeerde student in de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering. “Als de mensheid collectief besluit dat we naar Mars willen, is een dergelijke benadering op systeemniveau nodig om het veilig te bereiken en de kosten op een ethische manier te minimaliseren. We willen een duidelijke vergelijking hebben tussen opties, of we nu’ beslissen welke technologieën te gebruiken, naar welke locaties op Mars te gaan, hoe te gaan en wie te brengen.”
Langere missies hebben meer kracht nodig
In het verleden waren de schattingen van NASA van de stroombehoeften van astronauten op Mars over het algemeen gericht op korte verblijven, waarvoor geen energieverslindende processen nodig zijn voor het verbouwen van voedsel, het vervaardigen van bouwmaterialen of het produceren van chemicaliën. Maar terwijl NASA en leiders van bedrijven die nu raketten bouwen die naar Mars zouden kunnen gaan – waaronder Elon Musk, CEO van SpaceX, en Jeff Bezos, oprichter van Blue Origin – praten over het idee van langdurige, buitenaardse nederzettingen, grotere en meer betrouwbare energiebronnen moeten worden overwogen.
De complicatie is dat al deze materialen van de aarde naar Mars moeten worden vervoerd voor honderdduizenden dollars per pond, waardoor een laag gewicht essentieel is.
advertentie
Een belangrijke behoefte is stroom voor bioproductiefaciliteiten die genetisch gemanipuleerde microben gebruiken om voedsel, raketbrandstof, plastic materialen en chemicaliën, waaronder medicijnen, te produceren. Abel, Berliner en hun co-auteurs zijn lid van het Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES), een multi-universitaire inspanning om microben te tweaken met behulp van de gen-insertietechnieken van synthetische biologie om de noodzakelijke benodigdheden voor een kolonie te leveren.
De twee onderzoekers ontdekten echter dat het onmogelijk was om de bruikbaarheid van veel bioproductieprocessen te beoordelen zonder te weten hoeveel stroom er beschikbaar zal zijn voor een langere missie. Dus gingen ze op zoek naar een computermodel van verschillende scenario’s voor stroomvoorziening en waarschijnlijke stroombehoeften, zoals het onderhoud van leefgebieden – inclusief temperatuur- en drukregeling – kunstmestproductie voor de landbouw, methaanproductie voor raketstuwstof om terug te keren naar de aarde, en productie van bioplastics voor de productie van reserveonderdelen.
Tegen een nucleair systeem van Kilopower stonden fotovoltaïsche cellen met drie opties voor energieopslag: batterijen en twee verschillende technieken voor het produceren van waterstofgas uit zonne-energie – door elektrolyse en rechtstreeks door foto-elektrochemische cellen. In de laatste gevallen wordt de waterstof onder druk gezet en opgeslagen voor later gebruik in een brandstofcel om stroom te produceren wanneer de zonnepanelen dat niet zijn.
Alleen fotovoltaïsche energie met elektrolyse – waarbij elektriciteit werd gebruikt om water in waterstof en zuurstof te splitsen – was concurrerend met kernenergie: het bleek kosteneffectiever per kilogram dan kernenergie op bijna de helft van het aardoppervlak.
Het belangrijkste criterium was het gewicht. De onderzoekers gingen ervan uit dat een raket die een bemanning naar Mars vervoert een lading van ongeveer 100 ton zou kunnen vervoeren, exclusief brandstof, en berekenden hoeveel van die lading zou moeten worden besteed aan een energiesysteem voor gebruik op het oppervlak van de planeet. Een reis van en naar Mars zou ongeveer 420 dagen duren — 210 dagen per enkele reis. Verrassend genoeg ontdekten ze dat het gewicht van een voedingssysteem minder dan 10% van het totale laadvermogen zou bedragen.
Voor een landingsplaats nabij de evenaar schatten ze bijvoorbeeld dat het gewicht van zonnepanelen plus waterstofopslag ongeveer 8,3 ton zou zijn, tegenover 9,5 ton voor een Kilopower-kernreactorsysteem.
Hun model specificeert ook hoe fotovoltaïsche panelen moeten worden aangepast om de efficiëntie te maximaliseren voor de verschillende omstandigheden op locaties op Mars. Breedtegraad beïnvloedt bijvoorbeeld de intensiteit van zonlicht, terwijl stof en ijs in de atmosfeer langere golflengten van licht kunnen verstrooien.
Vooruitgang in fotovoltaïsche energie
Abel zei dat fotovoltaïsche zonne-energie nu zeer efficiënt is in het omzetten van zonlicht in elektriciteit, hoewel de beste prestaties nog steeds duur zijn. De meest cruciale nieuwe innovatie is echter een lichtgewicht en flexibel zonnepaneel, dat de opslag op de uitgaande raket eenvoudiger maakt en de transportkosten lager.
“De siliconenpanelen die je op je dak hebt, met stalen constructie, glazen achterkant, enzovoort, kunnen gewoon niet concurreren met de nieuwe en verbeterde nucleaire, maar nieuwere lichtgewicht, flexibele panelen veranderen dat gesprek ineens echt, echt, ‘ zei Abel.
Hij merkte ook op dat een lager gewicht betekent dat er meer panelen naar Mars kunnen worden getransporteerd, wat een back-up biedt voor eventuele panelen die falen. Terwijl kilowatt kerncentrales meer stroom leveren, zijn er minder nodig, dus als er een uitvalt, zou de kolonie een aanzienlijk deel van haar vermogen verliezen.
Berliner, die ook een graad in nucleaire engineering volgt, kwam in het project met een voorkeur voor kernenergie, terwijl Abel, wiens bachelorscriptie ging over nieuwe innovaties in fotovoltaïsche energie, meer voorstander was van zonne-energie.
“Ik heb het gevoel dat dit artikel echt voortkomt uit een gezonde wetenschappelijke en technische onenigheid over de verdiensten van kernenergie versus zonne-energie, en dat het echt het werk is dat wij proberen erachter te komen en een weddenschap af te sluiten,” zei Berliner. “die ik denk dat ik verloren heb, op basis van de configuraties die we hebben gekozen om dit te publiceren. Maar het is zeker een gelukkig verlies.”
Andere co-auteurs van het artikel zijn Mia Mirkovic, een onderzoeker aan UC Berkeley in het Berkeley Sensor and Actuator Center; William Collins, UC Berkeley professor-in-residence van aard- en planetaire wetenschap en senior wetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab); Adam Arkin, CUBES-directeur en decaan A. Richard Newton Memorial Professor in de afdeling Bioengineering van UC Berkeley; en Douglas Clark, de Gilbert Newton Lewis-hoogleraar bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering en decaan van het College of Chemistry. Arkin en Clark zijn ook senior faculteitswetenschappers bij Berkeley Lab.
Het werk werd gefinancierd door NASA (NNX17AJ31G) en onderzoeksbeurzen van de National Science Foundation (DGE1752814).
lees het gehele artikel bij de bron
————————————————– ———————————–
samenvatting:
Hoewel de meeste missies naar de maan en andere planeten afhankelijk zijn van zonne-energie, zijn wetenschappers ervan uitgegaan dat voor elke uitgebreide missie aan de oppervlakte waarbij mensen betrokken zijn, een betrouwbaardere energiebron nodig zou zijn: kernenergie. Verbeteringen in fotovoltaïsche energie brengen deze calculus op zijn kop. Een nieuwe studie concludeert dat een zonne-energiesysteem minder zou wegen dan een nucleair systeem en voldoende zou zijn om een kolonie van stroom te voorzien op locaties die meer dan de helft van het oppervlak beslaan.
Datum van publicatie: 28 april 2022
Bron: Bijzonder | Vreemd en ongebruikelijk nieuws — ScienceDaily
————————————————– ———————————–