De regreso a la órbita desde Marte: ¿cuántos km ^ 2 años de energía solar para producir suficiente propulsor?

En este genial video de una presentación sobre la dinámica de fluidos computacional basada en GPU de SpaceX, hay una diapositiva al principio sobre cómo hacer combustible para cohetes en Marte, específicamente usando agua del suelo y dióxido de carbono de la atmósfera para producir oxígeno y metano:

2H2O + CO2 -> CH4 + 2O2

Ir en esa dirección requiere energía, y supongo que la energía solar de una forma u otra sería sin duda una forma.

Puede haber múltiples formas de utilizar la energía solar para impulsar reacciones químicas endotérmicas. Hay fotocatálisis, catálisis termosolar concentrada, fotovoltaica para catalaysis térmica y/o electrólisis por ejemplo. "¿Cuál es el mejor método..." sería una gran pregunta, pero no es esta pregunta.

Esta pregunta: Cifras aproximadas: si siete personas quisieran entrar en una cápsula (podría ser el mismo Dragón que los llevó allí o no) ahora sentadas en un propulsor de combustión de metano/LOX, despegar y regresar a la órbita de Marte para reunirse con un vehículo que esperaba para volver a casa, y por alguna razón tuvieron que fabricar los propulsores a partir de agua y dióxido de carbono, ¿aproximadamente cuántos kilómetros cuadrados de energía solar en Marte serían necesarios para sintetizar esos propulsores?

Suponga que la comida, el agua y el vehículo para el regreso los están esperando en órbita, pero tienen que hacer que los propulsores lleguen a la órbita de Marte, como se muestra en la captura de pantalla.

Combustible de metano de SpaceX en Marte

Esta pregunta y toda la respuesta pueden ser útiles aquí.

Respuestas (2)

No tengo cifras exactas pero vamos a estimarlo un poco...

La velocidad orbital de Marte es de aproximadamente 3,3 km/s. Tu cápsula de dragón tiene una masa de unas 8 toneladas. Entonces, todo su cohete sería algo así como 50 toneladas para alcanzar la órbita de Marte. El metano/oxígeno necesario es de aproximadamente 36 toneladas. De eso, unas 12 toneladas son metano. Para generar 1 kg de metano necesitamos 50 MJ de energía.

La distancia de Marte al sol es de aproximadamente 1,5 UA en promedio. Así, la energía solar generada por m² es aproximadamente el 44% de la de la tierra.

Cerca del ecuador tienes aproximadamente 600 W/m² de radiación solar al mediodía. Debido a la rotación planetaria, puede usar la mitad del día para generar energía y aumentará desde el amanecer hasta el mediodía y luego disminuirá hasta el atardecer; sin embargo, puede aumentar esa cantidad espaciando y girando los paneles, así que supongamos que terminamos con 150 W efectivos /m².

Si utilizamos paneles solares realmente eficientes, probablemente podamos generar hasta 50 W/m². Probablemente puedas convertir el 60% de esa energía en combustible.

entonces 12,000 * 50 MJ / 60% ~ 1TJ. Con 50 W/m² eso significaría unos 2 * 10^10 m² * s o 634 m² * año.

Esto, por supuesto, no tiene en cuenta las pérdidas de almacenamiento o compresión del combustible todavía... con todas las suposiciones, sin embargo, podría terminar con 10-50 veces ese número.

OK, eso es exactamente lo que esperaba: un juego de pelota lúcido. ¿Crees entonces que puede o no ser excluido? Que al menos a partir de este cálculo, no es inmediatamente imposible. Estoy tratando de no preguntar "¿puede funcionar la energía solar", solo "¿se puede excluir la energía solar de inmediato?" Tanto por ser lúcido de mi parte.
Diría que la energía solar no se puede excluir de inmediato, pero en masa, la energía nuclear sería más práctica y posiblemente más confiable.

De Wikipedia , aprendí que se produjo 1 kg de metano usando 700 W de potencia en un día.

The Case for Mars estima que se requieren 82 toneladas de metano/LOX para el ERV, lo que supone un lanzamiento directo a la Tierra. De esto, alrededor de 22 toneladas (20 toneladas métricas) es metano. Esto es para un vehículo de regreso directamente a la Tierra, no solo a la órbita de Marte.

A continuación, se puede calcular el requisito de potencia total. 20000/365=54,8 kg de combustible necesarios al día. Eso significa 38,3 kW de potencia en promedio por día. Dada la misma eficiencia que enumeró Adwaenyth, eso es aproximadamente 767 m ^ 2 de paneles solares para producir el combustible en un año. Por supuesto, una misión real tendría 2 años para producir el combustible, al menos, más probablemente 3 años. También requeriría una cierta cantidad de enfriamiento.

El plan Mars Direct requiere enviar un pequeño reactor nuclear, del orden de 80 kW, para suministrar esta energía. También sugiere algo de energía solar para copias de seguridad y sitios remotos. Con la estimación de 1 tonelada/5 kW de paneles solares, eso tiene sentido.

En realidad, quiero preguntar cómo es ese reactor (por ejemplo, peso, "control remoto"), pero esa es una pregunta diferente, así que no lo haré aquí. ¿Se basa en vapor y una pequeña turbina o motor Stirling? Los porta-reactores se han pensado durante mucho tiempo, estoy seguro de que funcionarían bien, pero solo sé (un poco) sobre el tipo gigante.
Todo lo que sé es una estimación de 4 toneladas de peso. Más allá de eso...
Bueno, gracias. ¡A 20 W/kg las 24 horas del día, los 7 días de la semana, puede ser difícil que la energía solar compita!
Pensé que para un asentamiento, la energía solar hecha a partir de Marte sería mejor, pero hasta entonces, la energía nuclear es la mejor opción.
80kw de energía nuclear ya es bastante difícil, porque necesitas que el reactor se enfríe de alguna manera... y no es como si tuvieras una abundancia de refrigerante como el agua que usamos para los reactores aquí.
De regreso a la órbita desde Marte: ¿cuántos km ^ 2 años de energía solar para producir suficiente propulsor?
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