La energía solar para asentamientos en Marte


La alta eficiencia, el peso ligero y la flexibilidad de la última tecnología de celdas solares significa que la energía fotovoltaica podría proporcionar toda la energía necesaria para una misión extendida a Marte, o incluso un asentamiento permanente allí, según un nuevo análisis realizado por científicos de la Universidad de California, Berkeley.

La mayoría de los científicos e ingenieros que han pensado en la logística de vivir en la superficie del Planeta Rojo han asumido que la energía nuclear es la mejor alternativa, en gran parte debido a su confiabilidad y funcionamiento las 24 horas del día, los 7 días de la semana. En la última década, los reactores de fisión nuclear Kilopower miniaturizados han avanzado hasta el punto en que la NASA los considera una fuente de energía segura, eficiente y abundante y clave para la futura exploración robótica y humana.

La energía solar, por otro lado, debe almacenarse para su uso durante la noche, que en Marte dura aproximadamente el mismo tiempo que en la Tierra. Y en Marte, la producción de energía de los paneles solares puede verse reducida por el omnipresente polvo rojo que lo cubre todo. El rover Opportunity de la NASA, de casi 15 años, alimentado por paneles solares, dejó de funcionar después de una tormenta de polvo masiva en Marte en 2019.

El nuevo estudio, publicado esta semana en la revista Frontiers in Astronomy and Space Sciences, utiliza un enfoque de sistemas para comparar estas dos tecnologías cara a cara para una misión extendida de seis personas a Marte que implica una estadía de 480 días en la superficie del planeta. superficie antes de regresar a la Tierra. Ese es el escenario más probable para una misión que reduce el tiempo de tránsito entre los dos planetas y extiende el tiempo en la superficie más allá de una ventana de 30 días.

Su análisis encontró que para los sitios de asentamiento en casi la mitad de la superficie marciana, la energía solar es comparable o mejor que la nuclear, si se tiene en cuenta el peso de los paneles solares y su eficiencia, siempre que se utilice algo de energía diurna para producir gas hidrógeno para uso en celdas de combustible para alimentar la colonia por la noche o durante tormentas de arena.

«La generación de energía fotovoltaica acoplada a ciertas configuraciones de almacenamiento de energía en hidrógeno molecular supera a los reactores de fusión nuclear en más del 50% de la superficie del planeta, principalmente en aquellas regiones alrededor de la banda ecuatorial, lo que contrasta bastante con lo que se ha propuesto una y otra vez en la literatura, que es que será energía nuclear», dijo Aaron Berliner, estudiante de doctorado en bioingeniería de UC Berkeley, uno de los dos primeros autores del artículo.

El estudio brinda una nueva perspectiva sobre la colonización de Marte y proporciona una hoja de ruta para decidir qué otras tecnologías implementar al planificar misiones tripuladas a otros planetas o lunas.

«Este documento tiene una visión global de qué tecnologías de energía están disponibles y cómo podríamos implementarlas, cuáles son los mejores casos de uso para ellas y dónde se quedan cortas», dijo el coautor principal Anthony Abel, estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular. «Si la humanidad decide colectivamente que queremos ir a Marte, este tipo de enfoque a nivel de sistemas es necesario para lograrlo de manera segura y minimizar el costo de una manera que sea ética. Queremos tener una comparación clara entre las opciones, ya sea que estamos decidiendo qué tecnologías utilizar, a qué lugares ir en Marte, cómo ir y a quién llevar».

Las misiones más largas tienen mayores necesidades de energía.

En el pasado, las estimaciones de la NASA sobre las necesidades de energía de los astronautas en Marte se han centrado generalmente en estadías cortas, que no requieren procesos que consumen mucha energía para cultivar alimentos, fabricar materiales de construcción o producir productos químicos. Pero a medida que la NASA y los líderes de las empresas que ahora construyen cohetes que podrían ir a Marte, incluidos Elon Musk, director ejecutivo de SpaceX, y Jeff Bezos, fundador de Blue Origin, hablan de la idea de asentamientos fuera del planeta a largo plazo, más grandes y más Se deben considerar fuentes confiables de energía.

La complicación es que todos estos materiales deben transportarse de la Tierra a Marte a un costo de cientos de miles de dólares por libra, lo que hace que el bajo peso sea esencial.

Una necesidad clave es la energía para las instalaciones de biofabricación que utilizan microbios modificados genéticamente para producir alimentos, combustible para cohetes, materiales plásticos y productos químicos, incluidos los medicamentos. Abel, Berliner y sus coautores son miembros del Centro para la Utilización de Ingeniería Biológica en el Espacio (CUBES), un esfuerzo de varias universidades para modificar microbios utilizando técnicas de inserción de genes de biología sintética para suministrar los suministros necesarios para una colonia.

Los dos investigadores descubrieron, sin embargo, que sin saber cuánta energía estará disponible para una misión prolongada, era imposible evaluar la practicidad de muchos procesos de biofabricación. Por lo tanto, se propusieron crear un modelo computarizado de varios escenarios de suministro de energía y posibles demandas de energía, como el mantenimiento del hábitat, que incluye el control de la temperatura y la presión, la producción de fertilizantes para la agricultura, la producción de metano para que el propulsor de cohetes regrese a la Tierra y la producción de bioplásticos. para la fabricación de repuestos.

Los astronautas que viajen a Marte deberán minimizar el peso del sistema de energía que se llevan de la Tierra. La energía fotovoltaica sería la mejor opción si su sitio de asentamiento planificado se encuentra en el área amarilla en este mapa aplanado de Marte. También se muestran los sitios de misiones anteriores que aterrizaron en Marte, incluido el cráter Jezero (arriba a la derecha), que ahora está explorando el rover Perseverance de la NASA. Crédito: Anthony Abel y Aaron Berliner, UC Berkeley

Enfrentados a un sistema nuclear de Kilopower, se encontraban los fotovoltaicos con tres opciones de almacenamiento de energía: baterías y dos técnicas diferentes para producir gas hidrógeno a partir de la energía solar: por electrólisis y directamente por células fotoelectroquímicas. En estos últimos casos, el hidrógeno se presuriza y almacena para su uso posterior en una pila de combustible para producir energía cuando los paneles solares no lo están.

Solo la energía fotovoltaica con electrólisis, que usa electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, era competitiva con la energía nuclear: demostró ser más rentable por kilogramo que la energía nuclear en casi la mitad de la superficie del planeta.

El criterio principal fue el peso. Los investigadores supusieron que un cohete que llevara una tripulación a Marte podría transportar una carga útil de unas 100 toneladas, sin contar el combustible, y calcularon cuánto de esa carga útil debería dedicarse a un sistema de energía para su uso en la superficie del planeta. Un viaje hacia y desde Marte tomaría alrededor de 420 días, 210 días en cada sentido. Sorprendentemente, descubrieron que el peso de un sistema de energía sería inferior al 10 % de la carga útil total.

Para un lugar de aterrizaje cerca del ecuador, por ejemplo, estimaron que el peso de los paneles solares más el almacenamiento de hidrógeno sería de unas 8,3 toneladas, frente a las 9,5 toneladas de un sistema de reactor nuclear Kilopower.

Su modelo también especifica cómo ajustar los paneles fotovoltaicos para maximizar la eficiencia para las diferentes condiciones en los sitios de Marte. La latitud afecta la intensidad de la luz solar, por ejemplo, mientras que el polvo y el hielo en la atmósfera pueden dispersar longitudes de onda de luz más largas.

Avances en fotovoltaica

Abel dijo que la energía fotovoltaica ahora es muy eficiente en la conversión de la luz solar en electricidad, aunque los mejores siguen siendo caros. Sin embargo, la nueva innovación más crucial es un panel solar liviano y flexible, que facilita el almacenamiento en el cohete de salida y reduce el costo del transporte.

Los humanos en Marte necesitarían usar las únicas materias primas disponibles (hielo de agua, gases atmosféricos, el suelo marciano y la luz solar) para hacer todo lo que necesitan para sobrevivir. Investigadores como los de CUBES, con sede en UC Berkeley, están trabajando en formas de convertir estas materias primas en alimentos, medicinas, combustibles y materiales estructurales. Este diagrama de flujo muestra cómo la utilización de recursos in situ (ISRU) convierte las materias primas en una forma que se puede utilizar para sintetizar alimentos y productos farmacéuticos (FPS) y fabricar biopolímeros (ISM) para uso de la tripulación. Los desechos se recolectan y reutilizan (cierre de circuito o LC) para maximizar la eficiencia y reducir el costo de la logística de suministro desde la Tierra. Crédito: Aaron Berliner y Davian Ho, UC Berkeley

«Los paneles de silicio que tiene en su techo, con construcción de acero, respaldo de vidrio, etcétera, simplemente no competirán con los nuevos y mejorados paneles nucleares, pero de repente, realmente cambiarán esa conversación. dijo Abel.

También señaló que un peso más ligero significa que se pueden transportar más paneles a Marte, proporcionando respaldo para cualquier panel que falle. Si bien las plantas de energía nuclear de kilovatios proporcionan más energía, se necesita menos, por lo que si una falla, la colonia perdería una proporción significativa de su energía.

Berliner, que también está estudiando ingeniería nuclear, se incorporó al proyecto con un sesgo hacia la energía nuclear, mientras que Abel, cuya tesis de licenciatura trataba sobre nuevas innovaciones en energía fotovoltaica, estaba más a favor de la energía solar.

«Siento que este documento realmente surge de un sano desacuerdo científico y de ingeniería sobre los méritos de la energía nuclear frente a la solar, y que realmente el trabajo es solo nosotros tratando de descubrir y resolver una apuesta», dijo Berliner. «que creo que perdí, según las configuraciones que elegimos para publicar esto. Pero es una pérdida feliz, seguro».

Otros coautores del artículo son Mia Mirkovic, investigadora de UC Berkeley en el Berkeley Sensor and Actuator Center; William Collins, profesor residente de ciencias terrestres y planetarias de UC Berkeley y científico principal en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab); Adam Arkin, director de CUBES y Profesor Dean A. Richard Newton Memorial en el Departamento de Bioingeniería de UC Berkeley; y Douglas Clark, profesor de Gilbert Newton Lewis en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular y decano de la Facultad de Química. Arkin y Clark también son científicos senior de la facultad en Berkeley Lab.

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