Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Energia wiatrowa może zasilać marsjańskie misje załogowe

Recommended Posts

Systemy podtrzymywania życia, woda, żywność, habitaty, instrumenty naukowe i wiele innych elementów będzie niezbędnych do przeprowadzenia załogowej misji na Marsa. Jednym z najważniejszych z nich są systemy produkcji energii. Te obecnie stosowane w misjach kosmicznych są albo niebezpieczne – wykorzystują rozpad pierwiastków promieniotwórczych – albo też niestabilne wraz ze zmianami pór dnia i roku, bo korzystają z energii słonecznej.

Wybór miejsca lądowania każdej z misji marsjańskich to skomplikowany proces. Eksperci muszą bowiem określić miejsca, których zbadanie może przynieść jak najwięcej korzyści i w których w ogóle da się wylądować. W przypadku misji załogowych sytuacja jeszcze bardziej się skomplikuje, gdyż dodatkowo będą musiały być to miejsca najlepiej nadające się do życia, np. takie, w których można pozyskać wodę.

Grupa naukowców pracujących pod kierunkiem Victorii Hartwick z NASA wykorzystała najnowsze modele klimatyczne Marsa do przeanalizowania potencjału produkcji energii z wiatru na Czerwonej Planecie. Dotychczas podczas rozważań nad produkcją energii na Marsie nie brano pod uwagę atmosfery. Jest ona bowiem bardzo rzadka w porównaniu z atmosferą Ziemi.

Ku swojemu zdumieniu naukowcy zauważyli, że pomimo rzadkiej marsjańskiej atmosfery wiejące tam wiatry są na tyle silne, by zapewnić produkcję energii na dużych obszarach Marsa.

Badacze odkryli, że w niektórych proponowanych miejscach lądowania prędkość wiatru jest wystarczająca, by stanowił on jedyne lub uzupełniające – wraz z energią słoneczną bądź jądrową – źródło energii. Pewne regiony Marsa są pod tym względem obiecujące, a inne – interesujące z naukowego punktu widzenia – należałoby wykluczyć biorąc pod uwagę jedynie potencjał energii wiatrowej lub słonecznej. Okazało się jednak, że energia z wiatru może kompensować dobową i sezonową zmienność produkcji energii słonecznej, szczególnie na średnich szerokościach geograficznych czy podczas regionalnych burz piaskowych. Co zaś najważniejsze, proponowane turbiny wiatrowe zapewnią znacznie bardziej stabilne źródło energii po połączeniu ich z ogniwami fotowoltaicznymi.

Naukowcy przeanalizowali hipotetyczny system, w którym wykorzystane zostają panele słoneczne oraz turbina Enercon E33. To średniej wielkości komercyjny system o średnicy wirnika wynoszącej 33 metry. Na Ziemi może ona dostarczyć 330 kW mocy. Z analiz wynika, że na Marsie dostarczałaby średnio 10 kW.

Obecnie szacuje się, że 6-osobowa misja załogowa będzie potrzebowała na Marsie minimum 24 kW mocy. Jeśli wykorzystamy wyłącznie ogniwa słoneczne, produkcja energii na potrzeby takiej misji będzie większa od minimum tylko przez 40% czasu. Jeśli zaś dodamy turbinę wiatrową, to odsetek ten wzrośnie do 60–90 procent na znacznych obszarach Marsa. Połączenie wykorzystania energii słonecznej i wiatrowej mogłoby pozwolić na przeprowadzenie misji załogowej na tych obszarach Czerwonej Planety, które wykluczono ze względu na słabą obecność promieniowania słonecznego. Te regiony to np. obszary polarne, które są interesujące z naukowego punktu widzenia i zawierają wodę.

Autorzy badań zachęcają do prowadzenia prac nad przystosowaniem turbin wiatrowych do pracy w warunkach marsjańskich. Tym bardziej, że wykorzystanie wiatru może wpłynąć na produkcję energii w wielu miejscach przestrzeni kosmicznej. Hartwick mówi, że jest szczególnie zainteresowana potencjałem produkcji energii z wiatru w takich miejscach jak Tytan, księżyc Saturna, który posiada gęstą atmosferę, ale jest zimny. Odpowiedź na tego typu pytania będzie jednak wymagała przeprowadzenia wielu badań interdyscyplinarnych.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rosnąca popularność samochodów elektrycznych (EV) często postrzegana jako problem dla sieci elektroenergetycznych, które nie są dostosowane do nowego masowego źródła obciążenia. Naukowcy z Uniwersytetu w Lejdzie oraz amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej podeszli do zagadnienia z innej strony. Z analizy wynika, że w ciągu najbliższych lat EV mogą stać się wielkim magazynem energii ze źródeł odnawialnych, stabilizując energetykę słoneczną i wiatrową.
      Energia z wiatru i słońca to najszybciej rosnące źródła energii. So to jednak źródła niestabilne, nie dostarczają energii gdy wiatr nie wieje, a słońce nie świeci. Z analizy, opublikowanej na łamach Nature Communications, dowiadujemy się, że rolę stabilizatora mogą odegrać samochody elektryczne. Obecnie większość ich właścicieli ładuje samochody w nocy. Autorzy badań uważają, że właściciele takich pojazdów mogliby podpisywać odpowiednie umowy z dostawcami energii. Na jej podstawie dostawca energii sprawowałby kontrolę nad ładowaniem samochodu w taki sposób, by z jednej strony zapewnić w sieci odpowiednią ilość energii, a z drugiej – załadować akumulatory do pełna. Właściciel samochodu otrzymywałby pieniądze za wykorzystanie jego pojazdu w taki sposób, wyjaśnia główny autor badań, Chengjian Xu.
      Co więcej, gdy pojemność akumulatorów zmniejsza się do 70–80 procent pojemności początkowej, zwykle nie nadają się one do zastosowań w transporcie. Jednak nadal przez wiele lat mogą posłużyć do stabilizowania sieci elektroenergetycznych. Dlatego też, jeśli kwestia taka zostanie uregulowana odpowiednimi przepisami, akumulatory takie mogłyby jeszcze długo służyć jako magazyny energii.
      Z wyliczeń holendersko-amerykańskiego zespołu wynika, że do roku 2050 samochody elektryczne oraz zużyte akumulatory mogą stanowić wielki bank energii o pojemności od 32 do 62 TWh. Tymczasem światowe zapotrzebowanie na krótkoterminowe przechowywanie energii będzie wówczas wynosiło od 3,4 do 19,2 TWh. Przeprowadzone analizy wykazały, że wystarczy, by od 12 do 43 procent właścicieli samochodów elektrycznych podpisało odpowiednie umowy z dostawcami energii, a świat zyska wystarczające możliwości przechowywania energii. Jeśli zaś udałoby się wykorzystać w roli magazynu energii połowę zużytych akumulatorów, to wystarczy, by mniej niż 10% kierowców podpisało umowy z dostawcami energii.
      Już w roku 2030 w wielu regionach świata EV i zużyte akumulatory mogą zaspokoić popyt na krótkoterminowe przechowywanie energii.
      Oczywiście wiele tutaj zależy od uregulowań prawnych oraz od tempa popularyzacji samochodów elektrycznych w różnych regionach świata. Autorzy badań zauważają też, że wielką niewiadomą jest tempo degradacji akumulatorów przyszłości, które będzie zależało m.in. od postępu technologicznego, czy też tempo rozwoju systemów zarządzania energią. Nie wiadomo także, czy nie zajdą radykalne zmiany w samym systemie transportowym. Nie można wykluczyć np. zmiany przyzwyczajeń i rozpowszechnienia się komunikacji zbiorowej czy systemów wspólnego użytkowania pojazdów, na dostępność samochodów i akumulatorów może też wpłynąć rozpowszechnienie się pojazdów autonomicznych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przed rokiem, 24 grudnia,  pracujący na Marsie lądownik InSight zarejestrował trzęsienie o magnitudzie 4. Dopiero później udało się ustalić, że przyczyną trzęsienia był jeden z największych zaobserwowanych upadków meteorytów. Teraz na łamach Science opisano wyniki badań.
      Przyczynę trzęsienia udało się ustalić po przeanalizowaniu zdjęć wykonanych przed trzęsieniem i po nim przez Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). Na fotografiach widać nowy krater uderzeniowy. Stało się to rzadką okazją do zbadania upadku meteorytu i wywołanego nim trzęsienia na Marsie.
      Naukowcy oceniają, że meteoroid, który spadł na Czerwoną Planetę, miał od 5 do 12 metrów średnicy. Taki obiekt spłonąłby w ziemskiej atmosferze, jednak atmosfera Marsa jest około 100-krotnie rzadsza, więc nie uchroniła swojej planety przed uderzeniem. W wyniku kolizji powstał krater o średnicy 150 i głębokości 21 metrów. Część wyrzuconego zeń materiału wylądowała 37 kilometrów dalej. Dzięki danym sejsmologicznym z InSight oraz zdjęciom wiemy, że to jeden z największych kraterów, jaki utworzył się na oczach człowieka w Układzie Słonecznym.
      Oczywiście na Marsie znajduje się olbrzymia liczba większych kraterów, jednak powstały one przed jakąkolwiek misją na Czerwoną Planetę. Co jednak niezwykle interesujące, w wyniku uderzenia na powierzchnię wyrzucony zostały duże kawałki lodu, który był pogrzebany bliżej marsjańskiego równika niż lód, jaki mieliśmy okazję dotychczas oglądać. Ma to znaczenie dla planowania przyszłych misji załogowych.
      Misja InSight od listopada 2018 roku bada wnętrze Marsa. Zmierzyła m.in. średnicę jego jądra. Głównym źródłem informacji na temat budowy wnętrza Czerwonej Planety są fale sejsmiczne, dzięki którym można poznać rozmiary, skład oraz głębokość, na jakiej znajdują się poszczególne jej warstwy. Od rozpoczęcia badań InSight wykrył 1318 trzęsień, z których część była spowodowana upadkami meteorytów. Jednak trzęsienie z grudnia ubiegłego roku było pierwszym, przy którym wystąpiły fale powierzchniowe, które pozwoliły na szczegółowe badanie skorupy Marsa.
      Niestety, misja InSight wkrótce dobiegnie końca. W ciągu ostatnich miesięcy na panelach słonecznych lądownika nagromadziło się dużo pyłu, więc drastycznie spadła ilość docierającej doń energii. Najprawdopodobniej za około 6 tygodni InSight się wyłączy.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Teleskop Webba dostarczył pierwsze zdjęcia Marsa. Naukowcy zyskali dodatkowe dane, które uzupełniają to, co wiedzieliśmy o Czerwonej Planecie dzięki badaniom prowadzonym dotychczas za pomocą innych teleskopów, łazików i orbiterów. Ze swojego stanowiska obserwacyjnego, punktu libracyjnego L2, Webb może obserwować i szczegółowo rejestrować spektrum światła takich zjawisk jak burze pyłowe, zmiany pogody czy pór roku.
      Mars, ze względu na swoją niewielką odległość, jest jednym z najjaśniejszych obiektów na niebie, zarówno w zakresie światła widzialnego, jak i podczerwieni. To dla Webba poważny problem. Teleskop został zbudowany z myślą o obserwowaniu najdalszych, niezwykle słabo świecących obiektów. Blask Marsa może oślepiać Webba, prowadząc do nasycenia detektorów podczerwieni. Dlatego też na potrzeby obserwacji Czerwonej Planety opracowano technikę, w ramach której używa się bardzo krótkich czasów ekspozycji i dokonuje pomiarów tylko części światła docierającego do czujników Webba. To wszystko wspomagany jest specjalnymi metodami analizy danych.
      Pierwsze zdjęcia Marsa przysłane przez Webba pokazują fragment wschodniej półkuli planety. Sfotografowany on został przez instrument NIRcam w dwóch zakresach długości fali 2,1 µm i 4,3 µm. Na fotografii 2,1 µm dominuje odbite światło słoneczne, dlatego jest ono podobne do fotografii wykonanych w zakresie widzialnym przez Mars Orbitera. Z kolei fotografia w zakresie 4,3 µm powstała dzięki ciepłu emitowanemu przez planetę. Odpowiada ono temperaturze powierzchni i atmosfery.
      Najjaśniejsze miejsca to te, na które promienie słoneczne padają pod największym kątem. Jasność spada w kierunku biegunów, widać też, że półkula północna, na której panuje właśnie zima, jest chłodniejsza. Na zdjęcie 4,3 µm wpływa też pochłaniający ten zakres fal dwutlenek węgla w atmosferze. Widać to np. w Basenie Hellas, najlepiej zachowanej strukturze uderzeniowej na Marsie. Jest on ciemniejszy właśnie ze względu na CO2. Basen położony jest niżej, panuje w nim wyższe ciśnienie, które prowadzi do pojawienia się zjawiska pochłaniania promieniowania w zakresie 4,1–4,4 µm. Analiza światła rejestrowanego przez Webba pozwala więc astronomom na zdobycie dodatkowych informacji o powierzchni i atmosferze planety.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zdaniem dwojga naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, atmosfera Marsa uformowała się w sposób, który przeczy współczesnym teoriom. Do takich wniosków doszli Sandrine Peron i Sujoy Mukhopadhyay, którzy przeprowadzili nowe analizy pochodzącego z wnętrza Marsa meteorytu Chassigny.
      Układ Słoneczny powstał z mgławicy gazu i pyłu, które utworzyły Słońce i planety. Chronologię jego powstawania można odtworzyć badając ilość poszczególnych pierwiastków i stosunki ich izotopów.
      Obecne teorie mówią, że planety skaliste, jak Mars, uzyskały pierwiastki lotne – jak np. wodór, tlen czy gazy szlachetne – z otaczającej je mgławicy przedsłonecznej podczas wczesnych etapów formowania się. Pierwiastki te najpierw rozpuściły się w płaszczu planety skalistej – który wówczas był jednym wielkim oceanem magmy – a gdy magma stygła i się krystalizowała, doszło do jej odgazowania i te pobrane z mgławicy pierwiastki trafiły do atmosfery planet, skąd powoli uciekały w przestrzeń kosmiczną. Dodatkowym źródłem pierwiastków lotnych w planetach skalistych były zaś meteoryty skaliste, chondryty, które rozbijały się o ich powierzchnię.
      Jeśli taka teoria jest prawdziwa, to należałoby się spodziewać, że pierwiastki, jakie znajdziemy we wnętrzu planety, pochodzą głównie z mgławicy protoplanetarnej lub są mieszaniną pierwiastków z mgławicy i chondrytów. Natomiast pierwiastki lotne w atmosferze powinny pochodzić głównie z chondrytów, gdyż te pochodzące z mgławicy zdążyły się w dużej mierze ulotnić.
      Peron i Mukhopadhyay zbadali izotopy kryptonu w meteorycie. Jako że stosunki izotopów kryptonu w mgławicy przedsłonecznej i w chondrytach są różne, badanie pozwala ustalić, skąd pochodzi krypton we wnętrzu Marsa. Okazało się, że we wnętrzu Marsa znajduje się krypton pochodzący z chondrytów, a nie z mgławicy.
      Odkrycie to wskazuje, że chondryty dostarczały pierwiastki lotne do wnętrza Marsa znacznie wcześniej, niż sądzono, jeszcze w czasie, gdy obecna była mgławica przedsłoneczna. Dlatego też naukowcy z UC Davis uważają, że pierwiastki lotne w atmosferze planety nie pochodzą z odgazowania płaszcza, a zostały przechwycone bezpośrednio z mgławicy. Ta zaś przestała istnieć około 10 milionów lat po narodzinach Układu Słonecznego. To zaś rodzi pytanie, w jaki sposób pierwiastki te przetrwały przez tak długi czas w atmosferze. Być może zaraz po uformowaniu na Marsie panowały niskie temperatury i pierwiastki zostały uwięzione w czapach lodowych na biegunach planety.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Ostatnie postępy w technologii fotowoltaicznej, pojawienie się wydajnych i lekkich ogniw słonecznych i duża elastyczność tej technologii powoduje, że fotowoltaika może dostarczyć całość energii potrzebnej do przeprowadzenia długotrwałej misji na Marsie, a nawet do zasilenia stałej osady – twierdzą naukowcy z University of California, Berkeley.
      Dotychczas większość specjalistów mówiących o logistyce misji na Czerwonej Planecie zakładała wykorzystanie technologii jądrowej. Jest ona stabilna, dobrze opanowana i zapewnia energię przez 24 godziny na dobę. To rozwiązanie na tyle obiecujące, że NASA od kilku lat prowadzi projekt Kilopower, którego celem jest stworzenie na potrzeby misji kosmicznych reaktora jądrowego o mocy do 10 kilowatów.
      Problem z energią słoneczną polega zaś na tym, że w nocy Słońce nie świeci. Ponadto na Marsie wszechobecny pył zmniejsza efektywność paneli słonecznych. Przekonaliśmy się o tym w 2019 roku, gdy po 15 latach spędzonych na Marsie zasilany panelami słonecznymi łazik Opportunity przestał działać po wielkiej burzy pyłowej.
      W najnowszym numerze Frontiers in Astronomy and Space Sciences ukazał się artykuł opisujący wyniki analizy, w ramach których porównano możliwości wykorzystania na Marsie energii ze Słońca z energią jądrową. Naukowcy z Berkeley analizowali scenariusz, w którym marsjańska misja załogowa trwa 480 dni. To bowiem bardzo prawdopodobny scenariusz misji na Marsa uwzględniający położenie planet względem siebie.
      Analiza wykazała, że na ponad połowie powierzchni Marsa panują takie warunki, iż – uwzględniając rozmiary i wagę paneli słonecznych – technologia fotowoltaiczna sprawdzi się równie dobrze lub lepiej niż reaktor atomowy. Warunkiem jest przeznaczenie części energii generowanej za dnia do produkcji wodoru, który zasilałby w nocy ogniwa paliwowe marsjańskiej bazy.
      Na ponad 50% powierzchni Marsa technologia fotowoltaiczna połączona z produkcją wodoru sprawdzi się lepiej niż generowanie energii z rozpadu jądrowego. Przewaga ta jest widoczna przede wszystkim w szerokim pasie wokół równika. Wyniki naszej analizy stoją w ostrym kontraście do ciągle proponowanej w literaturze fachowej energii jądrowej, mówi jeden z dwóch głównych autorów badań, doktorant Aaron Berliner.
      Autorzy analizy wzięli pod uwagę dostępne technologie oraz sposoby ich wykorzystania. Pokazują, najlepsze scenariusze ich użycia, rozważają ich wady i zalety.
      W przeszłości NASA zakładała krótkotrwałe pobyty na Marsie. Takie misje nie wymagałyby np. upraw żywności czy tworzenia na Marsie materiałów konstrukcyjnych lub pozyskiwania środków chemicznych. Jednak obecnie coraz częściej rozważne są długotrwałe misje, a w ich ramach prowadzenie działań wymagających dużych ilości energii byłoby już koniecznością. Trzeba by więc zabrać z Ziemi na Marsa komponenty do budowy źródeł zasilania. Tymczasem każdy dodatkowym kilogram obciążający rakietę nośną to olbrzymi wydatek. Dlatego też konieczne jest stworzenie lekkich urządzeń zdolnych do wytwarzania na Marsie energii.
      Jednym z kluczowych elementów marsjańskiej stacji, którą takie źródła miałyby zasilać, będą laboratoria, w których genetycznie zmodyfikowane mikroorganizmy wytwarzałyby żywność, paliwo, tworzywa sztuczne i związki chemiczne, w tym leki. Berliner i inni autorzy analizy są członkami Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES), które pracuje nad tego typu rozwiązaniami. Naukowcy zauważyli jednak, że cały ich wysiłek może pójść na marne, jeśli na Marsie nie będzie odpowiednich źródeł zasilania dla laboratoriów.
      Dlatego też przeprowadzili analizę porównawczą systemu Kilopower z instalacjami fotowoltaicznymi wyposażonymi w trzy różne technologie przechowywania energii w akumulatorach i dwie technologie produkcji wodoru – metodą elektrolizy i bezpośrednio przez ogniwa fotoelektryczne. Okazało się, że jedynie połączenie fotowoltaiki z elektrolizą jest konkurencyjne wobec energetyki jądrowej. Na połowie powierzchni Marsa było to rozwiązanie bardziej efektywne pod względem kosztów niż wykorzystanie rozpadu atomowego.
      Głównym przyjętym kryterium była waga urządzeń. Naukowcy założyli, że rakieta, która zabierze ludzi na Marsa, będzie zdolna do przewiezienia ładunku o masie 100 ton, wyłączając z tego masę paliwa. Obliczyli, jaką masę należy zabrać z Ziemi, by zapewnić energię na 420-dniową misję. Ku swojemu zdumieniu stwierdzili, że masa systemu produkcji energii nie przekroczyłaby 10% całości masy ładunku.
      Z obliczeń wynika, że dla misji, która miałby lądować w pobliżu równika, łączna masa instalacji fotowoltaicznej oraz systemu przechowywania energii w postaci wodoru wyniosłaby około 8,3 tony. Masa reaktora Kilopower to z kolei 9,5 tony. Ich model uwzględnia nasłonecznienie, obecność pyłu i lodu w atmosferze, które wpływają na rozpraszanie światła słonecznego. Pokazuje też, jak w różnych warunkach optymalizować użycie paneli fotowoltaicznych.
      Uczeni zauważają, że mimo iż najbardziej wydajne panele słoneczne są wciąż drogie, to jednak główną rolę odgrywają koszty dostarczenia systemu zasilania na Marsa. Niewielka masa fotowoltaiki i elastyczność jej użycia to olbrzymie zalety tej technologii. Krzemowe panele na szklanym podłożu zamknięte w stalowych ramach, jakie są powszechnie montowana na dachach domów, nie mogą konkurować z najnowszymi udoskonalonymi reaktorami. Ale nowe, lekkie elastyczne panele całkowicie zmieniają reguły gry, stwierdzają autorzy analizy.
      Zwracają przy tym uwagę, że dzięki niższej masie można zabrać więcej paneli, więc będzie możliwość wymiany tych, które się zepsują. System Kilopower dostarcza więcej energii, zatem mniej takich reaktorów trzeba by dostarczyć, ale awaria jednego z urządzeń natychmiast pozbawiłaby kolonię znacznej części energii.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...