DAOrayaki |火星潜力的定居地----太阳能胜过核能

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赏金总量:45USD

研究种类:Space Exploration, Mars, Solar, Nuclear

原文作者:   ScienceDaily

创作者:TanZhiXuan@DAOrayaki.org

审核者:xinyang@DAOrayaki.org

原文:  Solar beats nuclear at many potential settlement sites on Mars

灵活运用的太阳能板和光伏技术让火星上的长期停留变得更加实际

根据加州大学伯克利分校科学家的一项新的分析,最新的太阳能电池技术的高效率、轻重量和灵活性意味着光伏技术可以提供延长火星任务所需的所有电力,甚至可以在那里永久定居。

大多数思考过在火星表面生活的物流问题的科学家和工程师都认为核电是最好的选择,这在很大程度上是因为其可靠性和能够24小时不停的运行。在过去的十年里,小型化的核裂变反应堆(Kilopower)已经发展到美国国家航空航天局认为它们是一种安全、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,太阳能必须能够被储存起来以便在夜间使用。在火星上,夜间持续的时间与地球上的时间差不多。而且在火星上,太阳能电池板的发电量会因为无处不在的红色灰尘而减少。美国宇航局近15年历史并且由太阳能电池板供电的 "机遇号 "火星车,在2019年火星上的一场大规模沙尘暴后,就停止了运作。

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了一种系统性的方法,那就是对这两种技术进行了正面的比较,让它们完成一项六人的延长火星任务。他们需要在返回地球之前在火星表面停留480天。这是任务中最有可能出现的一个情况,也就是缩短两颗行星之间的过境时间,并将停留在表面的时间延长到30天以上。

他们的分析发现,如果考虑到太阳能电池板的重量及其效率,对于超过近一半火星表面的定居地来说,太阳能与核电不相上下,而太阳能甚至会更好。也就是只要白天的一些能量被用来生产氢气,就能在夜间或沙尘暴期间用于燃料电池为殖民地进行供电。

该论文的两位第一作者之一,加州大学伯克利分校生物工程系博士生Aaron Berliner这样说:"光伏发电配上氢分子中的储能配置,比起主要在赤道带区域内占星球表面50%以上的核聚变反应堆,其表现可能会更好。这与文献中反复提出的所谓核电更好的观点形成了相当鲜明的对比。"

这项研究为火星殖民提供了一个新的方向,并提供了助于决定在规划其他行星或卫星的载人任务时,使用哪些技术的一个路线图。

另一位作者、化学和生物分子工程系的研究生Anthony Abel说:"这篇论文从全球的角度来看,让我们了解了有哪些动力技术是可用的,我们可以如何部署它们,它们的最佳使用情况是什么,和它们在哪些方面存在不足。如果人类集体决定我们需要到火星,为了安全地完成这项任务,并以符合道德的方式和成本最小化,这种系统性的方法是必要的。我们希望在各种选择之间有一个清晰的比较,无论我们是在决定使用哪种技术,去火星的哪个地点,如何去,和带谁去的各个方面上。"

时长更久的任务需要更多的电力

在过去的任务中,NASA对宇航员在火星上的电力需求预估通常集中于短期的停留上,这不包括需要种植食物、制造建筑材料或生产化学品的高耗能过程。但随着美国宇航局和目前正在建造可能前往火星的火箭公司领导人,也就是包括了SpaceX公司的首席执行官Elon Musk和蓝色起源公司的创始人Jeff Bezos,在谈论长期星外定居点的想法时,都表明需要考虑更大和更可靠的电力来源。

复杂的是,所有的这些材料都必须从地球运到火星,而每磅的成本高达数十万美元,因此低重量是至关重要的。

一个极为关键的需求是生物制造设施所需的电力,这些设施使用基因工程微生物来生产食品、火箭燃料、塑料材料和化学品,并且包括药物。Abel、Berliner和他们的合著者是空间生物工程运用中心(CUBES)的成员,这是多间大学一同努力的项目,旨在利用合成生物学的基因插入技术对微生物进行调整,并且为殖民地提供必要的供应。

然而,两位研究人员发现,如果不知道有多少电力可用与延长的任务,就不可能评估许多生物制造过程的可行性。因此,他们着手创建了一个计算机化的模型,其中包括各种电力供应方案和可能的电力需求,例如栖息地的维护,包括了温度和压力控制,农业的肥料生产,返回地球的火箭推进剂的甲烷生产,以及制造备件的生物塑料生产。

与Kilopower核电系统竞争的是具有三种电力储存选择的光伏系统:电池和两种不同的太阳能生产氢气的技术,也就是通过电解和直接通过光电化学电池。在后者的一种情况下,氢气被加压并储存起来,以便日后在太阳能电池板不工作时在燃料电池中使用,产生电力。

只有带电解的光伏发电,也就是利用电力将水分成氢气和氧气的才能与核能竞争。事实证明,在地球近一半的表面上,每公斤的成本效益比核能更高。

这里主要的标准是重量。研究人员假设,将乘员送往火星的火箭可以携带大约100吨的有效载荷,其中不包括燃料,并计算出该有效载荷中有多少需要用于在火星表面使用的动力系统。往返火星的旅程将需要大约420天,也就是单程210天。令人惊讶的是,他们发现动力系统的重量不到整个有效载荷的10%。

以赤道附近的着陆点为例,他们估计太阳能电池板加氢气储存的重量约为8.3吨,而Kilopower核反应堆系统为9.5吨。

他们计算机化的模型还规定了如何调整光伏电池板,以便在火星上的不同条件下实现效率最大化。例如,纬度会影响阳光的强度,而大气中的灰尘和冰会散射更长波长的光线。

光伏技术的进步

Abel表示,现在光伏技术在将太阳光转化为电能方面效率很高,尽管要达成最好的表现仍然需要非常昂贵的价格。目前最关键的创新是高度轻量化和灵活运用的太阳能电池板,这使得在飞往火星火箭上的存储更容易,运输成本更低。

Abel说:"我做个比喻:你现在在屋顶上的硅板、钢结构、玻璃背衬等等,确实无法与全新改进后的核能竞争。但把这些材料轻量化、变得能够更灵活的运用后,确实突然就改变了这种局面。"

他还指出,更轻的重量意味着可以将更多的电池板运到火星,为任何发生故障的电池板提供备份。虽然千瓦级的核电站能提供更多的电力,但需要的数量较少,也就是说,如果一个核电站发生故障,殖民地将失去很大一部分的电力。

Berliner正在攻读核工程学位,也在参与这个项目时倾向于核能,而Abel的本科论文是关于光伏的新创新,所以他更倾向于太阳能。

Berliner说:"我觉得这篇论文真的是源自于”以科学和工程的观点,核能与太阳能之间的健康竞争与分歧“,其实我们真正的工作只是我们试图弄清楚并解决一个赌注。根据我们为了出版这而选择的配置,我认为我输了。但我可以肯定的是,这是一个快乐的损失。"

该论文的其他作者包括: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Mia Mirkovic;加州大学伯克利分校地球和行星科学驻校教授、劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的高级科学家William Collins;CUBES主任以及Dean A Adam Arkin;加州大学伯克利分校生物工程系的 Richard Newton顿纪念教授;化学和生物分子工程系的吉尔伯特-牛顿-刘易斯教授和化学学院院长 Douglas Clark。Arkin 和 Clark也是伯克利实验室的高级教师科学家。

这项工作由美国国家航空航天局(NNX17AJ31G)和国家科学基金会提供的研究生科研奖学金(DGE1752814)。


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