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太阳能在火星上许多潜在的定居点击败核能

导读 根据加州大学伯克利分校科学家的一项新分析,最新太阳能电池技术的高效率、重量轻和灵活性意味着光伏可以提供扩展火星任务所需的所有电力,

根据加州大学伯克利分校科学家的一项新分析,最新太阳能电池技术的高效率、重量轻和灵活性意味着光伏可以提供扩展火星任务所需的所有电力,甚至在那里永久定居。.

大多数考虑过生活在红色星球表面的后勤工作的科学家和工程师都认为核能是最好的选择,这在很大程度上是因为它的可靠性和24/7全天候运行。在过去十年中,小型化Kilopower核裂变反应堆已经发展到NASA认为它们是安全、高效和丰富的能源,是未来机器人和人类探索的关键。

另一方面,太阳能必须储存起来以备夜间使用,这在火星上的持续时间与在地球上的持续时间大致相同。在火星上,覆盖一切的无所不在的红尘会降低太阳能电池板的发电量。由太阳能电池板驱动的NASA近15岁的机遇号火星车在2019年火星上发生大规模沙尘暴后停止工作。

本周发表在《天文学和空间科学前沿》杂志上的这项新研究使用一种系统方法来实际比较这两种技术,以进行一项针对火星的六人扩展任务,包括在地球上停留480天。返回地球之前的表面。对于减少两颗行星之间的过境时间并将在地表停留的时间延长超过30天的任务来说,这是最有可能发生的情况。

他们的分析发现,对于火星表面近一半以上的定居点,如果考虑到太阳能电池板的重量及其效率,太阳能与核能相当或更好——只要使用一些白天的能源来生产氢气在夜间或沙尘暴期间用于燃料电池为殖民地供电。

“光伏发电与分子氢中的某些能量存储配置相结合,在地球表面超过50%的区域内,主要是在赤道带周围的区域内,其性能优于核聚变反应堆,这与在文献,这将是核能,”加州大学伯克利分校生物工程博士生亚伦柏林说,他是该论文的两位第一作者之一。

该研究为火星殖民提供了一个新的视角,并提供了一个路线图,用于决定在计划载人飞往其他行星或卫星时部署哪些其他技术。

“本文对可用的电力技术以及我们如何部署它们、它们的最佳用例是什么以及它们的不足之处进行了全球视野,”共同第一作者安东尼阿贝尔说,他是该大学的研究生。化学与生物分子工程系。“如果人类集体决定我们想去火星,那么这种系统级的方法对于安全地完成它并以合乎道德的方式最小化成本是必要的。我们希望在选项之间进行清晰的比较,无论我们是否'重新决定使用哪些技术,去火星上的哪些地点,如何去以及带谁。”

更长的任务有更大的电力需求

过去,宇航局对宇航员在火星上的电力需求的估计通常集中在短期停留上,这不需要耗电的过程来种植食物、制造建筑材料或生产化学品。但是,随着NASA和现在正在制造可以前往火星的火箭的公司的领导者——包括SpaceX的首席执行官埃隆·马斯克和BlueOrigin的创始人杰夫·贝佐斯——谈论长期的、远离地球的定居点、更大和更多的想法。需要考虑可靠的电源。

复杂之处在于,所有这些材料必须以每磅数十万美元的成本从地球运送到火星,因此重量轻至关重要。

一个关键需求是为使用基因工程微生物生产食品、火箭燃料、塑料材料和化学品(包括药物)的生物制造设施提供电力。Abel、Berliner和他们的合著者是太空生物工程利用中心(CUBES)的成员,该中心是一个多所大学的努力,利用合成生物学的基因插入技术来调整微生物,为菌落提供必要的供应。

然而,这两位研究人员发现,如果不知道有多少能量可用于扩展任务,就不可能评估许多生物制造过程的实用性。因此,他们着手创建各种供电方案和可能的电力需求的计算机模型,例如栖息地维护(包括温度和压力控制)、农业肥料生产、火箭推进剂返回地球的甲烷生产以及生物塑料生产用于制造备件。

与Kilopower核系统相抗衡的是具有三种电力存储选项的光伏发电:电池和两种从太阳能中产生氢气的不同技术——通过电解和直接通过光电化学电池。在后一种情况下,氢气被加压并储存起来,以供以后在燃料电池中使用,以在太阳能电池板不工作时发电。

只有具有电解作用的光伏发电——利用电力将水分解成氢气和氧气——才能与核能竞争:事实证明,在地球近一半的表面上,它每公斤比核能更具成本效益。

主要标准是重量。研究人员假设将载人运往火星的火箭可以携带约100吨的有效载荷(不包括燃料),并计算出该有效载荷中有多少需要用于电力系统以供火星表面使用。往返火星的旅程大约需要420天——单程210天。令人惊讶的是,他们发现电力系统的重量不到整个有效载荷的10%。

例如,对于赤道附近的着陆点,他们估计太阳能电池板加上储氢的重量约为8.3吨,而Kilopower核反应堆系统的重量为9.5吨。

他们的模型还详细说明了如何调整光伏电池板,以最大限度地提高火星站点不同条件下的效率。例如,纬度会影响阳光的强度,而大气中的尘埃和冰可以散射更长波长的光。

光伏的进步

Abel说,光伏发电现在可以高效地将阳光转化为电能,尽管表现最好的光伏发电仍然很昂贵。然而,最关键的新创新是轻巧且灵活的太阳能电池板,它使出站火箭的存储更容易,运输成本更低。

“你屋顶上的硅板,带有钢结构、玻璃背板等,不会与新的和改进的核能竞争,但更新的轻质、灵活的面板突然之间真的,真的改变了这种对话,”亚伯说。

他还指出,更轻的重量意味着可以将更多的面板运送到火星,为任何出现故障的面板提供备份。虽然千瓦级核电站提供更多电力,但需要的电力却更少,因此如果一个核电站出现故障,殖民地将失去很大一部分电力。

Berliner也在攻读核工程学位,他加入该项目时偏向于核能,而Abel的本科论文是关于光伏的新创新,他更倾向于太阳能。

“我觉得这篇论文真的源于对核能与太阳能的优点的健康科学和工程分歧,而真正的工作只是我们试图弄清楚并解决一个赌注,”柏林说。“我想我输了,基于我们为发布这个而选择的配置。但这是一个快乐的损失,当然。”

该论文的其他合著者是加州大学伯克利分校伯克利传感器和执行器中心的研究员MiaMirkovic;WilliamCollins,加州大学伯克利分校地球与行星科学常驻教授,劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)资深科学家;AdamArkin,CUBES主任,加州大学伯克利分校生物工程系院长A.RichardNewton纪念教授;道格拉斯克拉克,化学和生物分子工程系吉尔伯特牛顿刘易斯教授和化学学院院长。Arkin和Clark也是伯克利实验室的资深科学家。