¿Qué opciones de fuente de energía proporcionan una generación de energía confiable y sostenible para una colonia marciana?

Muchas preguntas sobre soporte vital y diseño de misiones tienen respuestas según la escala: ¿qué tamaño tiene la colonia?

Hasta ahora, las soluciones viables discutidas en los documentos de la misión a Marte giran en torno a dos fuentes principales de energía:

• solar (paneles fotoeléctricos) y
• nuclear (es decir, reactores de fisión convencionales en uranio-235, muy probablemente muy enriquecidos)

Hasta ahora, nos hemos enfrentado a varios retos en lo que a fotovoltaica se refiere:

• acumulación de polvo
• la necesidad de rotar los paneles para rastrear el Sol y la falta de confiabilidad correspondiente de cualquier mecanismo con cojinetes en el entorno marciano (incluso con mantenimiento humano)
• Decaimiento de PV con el tiempo
• variaciones estacionales de la producción fotovoltaica
• la necesidad de almacenar energía para el consumo nocturno y la idea refrescante de tener que agregar masa extra a los productos a entregar y estar atentos a cualquier problema (incluidos los térmicos) con las baterías (aunque los volantes se volverán más eficientes a medida que la colonia crezca)

Los reactores nucleares con turbinas de ciclo Brayton no eliminan la necesidad de almacenamiento de energía, pero tienen sus propios problemas:

• el enfriamiento requiere radiadores grandes (dado que son verticales, no hay necesidad de preocuparse por el polvo)
• ubicación (detrás de las bermas y en los cráteres) debido a la necesidad de proteger a la colonia del flujo de neutrones
• la elección entre reabastecimiento de combustible (para colonias grandes y de largo plazo) y reemplazo
• Eliminación de desechos nucleares (y reactores)

Sin embargo, existen otras dos soluciones posibles para colonias suficientemente grandes:

• centrales termosolares
• plantas de energía solar fotovoltaica orbitales que envían la energía a través de microondas (por lo tanto, no es necesario proporcionar escudos aerodinámicos y toda la otra masa muerta necesaria para aterrizar la planta): una solución bastante escalable, supongo.

Recordar:

• una colonia/hábitat necesitará generación y almacenamiento de energía , pase lo que pase
• confiabilidad significa diversidad: para hábitats suficientemente grandes, a uno le gustaría tener un reactor y un campo de paneles solares, volantes y baterías
• reabastecer a la colonia es una molestia debido a la necesidad de aterrizar la carga, por lo que cualquier solución energética que no requiera aterrizar es realmente bienvenida

En mi humilde opinión, tener un reactor nuclear como principal fuente de energía, volantes para el almacenamiento de energía y paneles y baterías de respaldo proporcionaría un punto de partida conservador para futuros diseños. Sin embargo, se necesitan cálculos para refinar los diseños y elegir entre soluciones competitivas.

Hay una serie de opciones, incluida la energía nuclear e incluso la posibilidad de la energía solar (con células fotovoltaicas de alta eficiencia, como las que se utilizan en los rovers de Marte).

Una sugerencia discutida en "Colonias de Marte autosuficientes que utilizan el casquete polar norte y la atmósfera marciana". (Powell et al. 2001) es que la colonia debe estar cerca de la capa de hielo del norte, utilizando cualquier hielo de agua, separándolo en hidrógeno y oxígeno para la generación de energía. El artículo sugiere que este proceso podría iniciarse utilizando reactores nucleares.

Del resumen vinculado:

Las colonias estarían ubicadas en el casquete polar norte de Marte y utilizarían hielo de agua fácilmente disponible y el CO2 de la atmósfera marciana como materia prima para producir todos los propulsores, combustible, aire, agua, plásticos, alimentos y otros suministros necesarios para la colonia. . Los colonos vivirían en grandes y cómodos hábitats térmicamente aislados bajo la superficie del hielo, totalmente protegidos de los rayos cósmicos. Los hábitats y los suministros serían producidos por una unidad robótica de propulsión nuclear compacta y liviana (~4 toneladas métricas) denominada ALPH (Liberación Atómica de Propulsor y Hábitat), que aterrizaría 2 años antes de que llegaran los colonos. Utilizando una fuente de energía compacta y liviana de 5 MW (th) reactor nuclear/turbina de vapor (1 MW (e)) y pequeñas unidades de proceso (por ejemplo, electrolizador de H2O, licuefactores de H2 y O2, metanizador, polimerizador de plástico, productor de alimentos, etc.