¿Cuál es más fácil de construir en Marte por kilómetro cuadrado? ¿Ventanas de invernadero o fotovoltaica/LED?

Si alguien quisiera cultivar grandes cantidades de alimentos en Marte y quisiera especificar la luz del sol en lugar de fuentes nucleares u otras, las dos opciones en las que puedo pensar son invernaderos y fotovoltaica/LED.

Considere los tipos de áreas de kilómetros cuadrados:

Las ventanas de los invernaderos tendrían que soportar la presión mecánica de la presión atmosférica que requirieran las plantas (digamos 1/3 de la Tierra, a menos que tenga números más autorizados). Sin el aire caliente de la Tierra, la superficie exterior de las ventanas de los invernaderos estaría expuesta a las temperaturas infrarrojas del espacio y los paneles también tendrían que hacer algo de aislamiento térmico. Estas plantas sufrirían si hiciera demasiado frío en el interior, y para una tasa de crecimiento óptima, ¿debería regularse la temperatura con cuidado? Luego están los concentradores para tomar la luz solar marciana más débil y enfocarla en plantas individuales para un uso eficiente.

Compare con la energía fotovoltaica: ¿podrían hacerse más resistentes contra la baja presión y el frío que las ventanas de los invernaderos?

¿Sería más fácil apilar plantas en 3D con LED que distribuirlas a lo largo de kilómetros de suelo de invernadero? ¿El control de la temperatura y la humedad sería más fácil y más eficiente y el total de kilogramos de agua necesarios sería menor en una configuración que en la otra?

Para ver un ejemplo de lo que significa el apilamiento 3D, consulte The Daily Mail y Modern Farmer y National Geographic .

Hay varias preguntas relacionadas aquí, pero creo que si existe una fuente autorizada que compare los invernaderos con los PV/LED, probablemente habrá considerado todos estos.

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Fuente

Zubrin escribió bastante sobre esto, y presenta un buen argumento de que el cultivo de plantas con luz generada por energía fotovoltaica es insostenible, ya que (iirc) la incidencia solar de Rhode Island es mayor que el suministro mundial de energía. La incidencia en Marte no es tan mala, el apilamiento en 3D es posible con la luz del sol (espaciadas más ampliamente), y el alto CO2 que se obtiene fácilmente en Marte puede contrarrestar la disminución del rendimiento de los cultivos. El efecto invernadero aún funciona y los domos pueden ser débiles debido a la menor presión requerida.
"La incidencia solar de Rhode Island es mayor que el suministro mundial de energía": este sería un argumento a favor del uso de energía fotovoltaica para iluminar los invernaderos, no en contra.
Se debe considerar la muy pequeña eficiencia de una combinación fotovoltaica/LED. 10 % o incluso menos para la energía luminosa que entra a la energía luminosa que sale.
@Uwe estamos comparando dos cosas. La fotosíntesis es alrededor del 1%, ¿verdad? Un profesor mío hace un trillón de años nos enseñó a nunca usar la palabra "ineficiente" a menos que sea una comparación directa y cuantitativa con algo que pueda demostrarse que es más eficiente . De lo contrario, no es un concepto útil.
@ uhoh, comparé solo la eficiencia de una ventana con la combinación fotovoltaica/LED. La baja eficiencia de la fotosíntesis es válida para ambos casos.
Los LED @Uwe le permiten cambiar y concentrar las longitudes de onda. La fotosíntesis no usa las longitudes de onda donde la luz solar es más fuerte. i.stack.imgur.com/oi8Yk.png Prácticamente solo usa rojo y azul. PV/LED le permite recolectar la intensidad en un amplio rango en el medio del espectro visible y cambiarla a picos estrechos donde la clorofila realmente puede usarla. Ver esta pregunta . También le permite cambiar en el tiempo para optimizar los patrones de uso y cambiar en el espacio al concentrar la luz dinámicamente en las plantas frente al espacio intermedio.

Respuestas (2)

La radiación solar en Marte es aproximadamente la mitad que en la Tierra .

Por lo tanto, un invernadero tendría que ser el doble de grande que en la Tierra para obtener una cantidad de luz equivalente a la de la Tierra sobre las plantas, utilizando concentradores solares. Si construye los concentradores fuera del invernadero, el invernadero puede ser más pequeño, pero necesitará una estructura alta para el concentrador (tan alta como el ancho del invernadero, en una primera aproximación).

Supongamos que todos los materiales de construcción deben transportarse desde la Tierra, por lo que el peso sirve como indicador del costo.

En la Tierra, los invernaderos son fáciles de construir: solo un marco y paneles de vidrio. En Marte, la estructura tiene que ser presurizada, haciéndola más pesada.

Un vidrio que puede contener 0,33 bar va a ser grueso : una carga de 4 kN/m 2 ya necesita 2x 25 mm de vidrio, y 1/3 bar son 33 kN/m 2 . El plástico puede ser más delgado, pero no 100 veces más delgado.

Los paneles fotovoltaicos, por otro lado, no necesitan presión atmosférica para funcionar. Así que puedes construir marcos ligeros con paneles en la parte superior. Incluso las matrices acumulativas podrían funcionar. Puedo ver fácilmente una ventaja de peso de 10:1 para los paneles fotovoltaicos.

La combinación más barata sería entonces un pequeño edificio presurizado lleno de plantas usando apilamiento 3D, alimentado por un campo fotovoltaico en el exterior. Incluso podría meter las plantas dentro de un túnel y protegerlas de la radiación.

Incluso si duplica el área del invernadero, aún recibe la misma cantidad de luz solar por cm ^ 2 de hoja de planta. Y aunque podrías cultivar algunas bayas o avellanas, olvídate del maíz, las papas o el trigo, estos simplemente necesitan una densidad más ligera. OTOH, un método híbrido con combinación de LED y luz solar debería funcionar bien.
@SF. Es un buen punto, pero esta pregunta es más o menos vivir en "orden de magnitudville". Podemos suponer que habrá cultivos modificados genéticamente que crezcan en niveles alternos de luz solar, de modo que la tasa de crecimiento no sufra más que linealmente con luz solar reducida, y probablemente algunas mejoras están en camino que ayudarán aún más. Y siempre existe la posibilidad de reflectores tales que dos metros cuadrados de área alimenten un metro cuadrado en el suelo del invernadero. Todavía pierdes el factor de 2 pero la planta recibe niveles terrestres de luz solar.
Esperaba una respuesta que tuviera algunos enlaces a lugares donde podemos ver que esto funcionó, o funcionó aquí. No estoy seguro de que "caro" sea la métrica adecuada a menos que realmente se refiera al gasto relacionado con la masa de volar allí desde la Tierra. ¿Cuáles son los pesos relativos de "envío" de un metro cuadrado de panel fotovoltaico que podría durar 15 años en Marte y un metro cuadrado de ventana de invernadero que funcionaría en Marte y duraría 15 años? Luego, podemos agregar un factor que refleje la relación entre el rendimiento de alimentos por metro cuadrado de PV y la ventana. Tengo un fuerte presentimiento de que esta es la conclusión correcta, pero se necesita más
@uhoh: ...o metro cuadrado de lámina de "espejo" más andamios livianos de tuberías de PVC. Buen punto con los reflectores. Es casi seguro que el invernadero también sería de plástico, no de vidrio, si se enviara. Si fueran estructuras de vidrio, las partes probables para construir un horno de vidrio se enviarían en lugar de paneles de vidrio.
@SF. ¿Qué plástico transparente puede soportar 15 años de exposición a los rayos ultravioleta del sol en Marte sin solarizarse (oscurecerse) o agrietarse o algo peor? ¿Se ha identificado alguno? El vidrio es algo asombroso, esos dobles enlaces SI=O pueden tomar mucho.
@uhoh: uno que se reemplaza aproximadamente cada 3 años;) El vidrio es muy bueno, pero ofrece una pésima durabilidad por gramo. Realmente no veo un invernadero de vidrio enviado a Marte. Además, el plástico es mucho mejor para estructuras de burbujas (presurizadas).
@SF. ¿Puede nombrar el plástico específico del que está hablando y mostrar la prueba que lo prueba? ¿Puedes convertir esto en una respuesta, eso sería genial!
@uhoh: Polietileno común, como se usa en Polytunnels . No conozco ningún "uso espacial", pero en la Tierra duran de 4 a 5 años . Personalmente, me imagino que los invernaderos serían mucho más pequeños, probablemente muchas cúpulas de varios metros de diámetro; de esa manera, se minimizarían las pérdidas en caso de incumplimiento y las pausas de mantenimiento (despresurización) serían mejor "distribuibles", además de mantener ~ 0.3 bar en el interior no causaría un estrés enorme.
@SF. Bien, he preguntado sobre la exposición a los rayos ultravioleta en Marte, por lo que la información sobre la exposición en la Tierra no ayuda.
@SF. abramos la discusión. He hecho una pregunta de seguimiento .

Esta es una pregunta bastante difícil de resolver:

El problema de usar un invernadero en Marte serían los altos niveles de radiación solar dañina en la superficie debido a la delgada atmósfera de Marte y la falta de campo magnético. Usar paneles solares en la superficie de Marte también sería difícil a gran escala debido a la acumulación de polvo.

Y como mencionaste, hay muchos más factores que intervienen en esto, como el aislamiento térmico y el entorno de baja presión.

Una posible solución sería usar satélites de energía solar para transmitir energía a una granja subterránea apilada en 3D usando un transmisor y receptor de microondas. Si bien una configuración de este tipo es más viable en Marte debido a la baja presión atmosférica, el transmisor terminaría siendo grande y difícil de configurar.

Una de las personas (o robots) que cuidan las plantas y comen la comida (bueno, no un robot) puede simplemente salir y barrer las ventanas. El vidrio que ya es lo suficientemente grueso como para soportar la diferencia de presión y aislar térmicamente también se puede diseñar para absorber los rayos UV o rayos X dañinos, si aún no lo hace. Poner PV en órbita no responde a la pregunta tal como se planteó.
¿Cuál es más fácil de construir en Marte por kilómetro cuadrado? ¿Ventanas de invernadero o fotovoltaica/LED?
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