未来火星生活方式中的太阳能

艺术家对火星上未来生物制造实验室的构想,由光伏(太阳能)技术提供动力。 它还将合成食品和药品,制造其他所需材料,同时回收废物。 (图片来源:Davian Ho。)

在未来几十年的某个时候,人类将前往火星执行 400 多天的长期任务。 如此漫长的停留意味着建造火星城市,配备安全的栖息地、实验室和其他基础设施。 未来的火星人将不得不做很多事情才能生存。 他们将建造自己的城市、制造自己的食物、蒸馏水、制造燃料、制造药品以及制造其他供应品。 为此,他们将使用他们带来的制造设施。 这一切都需要力量。 很多。 众所周知,火星明显缺乏明显的发电方式。 那么,我们勇敢的探险者将怎样为他们在红色星球上的新生活发电?

该流程图显示了火星上的人类在从地球上的原材料中合成所需材料时将使用的过程。 他们使用的设备(起初)将从地球运输,但需要可靠的电力。 (来源:加州大学伯克利分校的 Aaron Berliner 和 Davian Ho)

火星需要力量!

传统观点认为,与其他航天器动力类似的核动力装置是最佳选择。 它们干净、可靠且经久耐用。 缺点是它们很重。 前往火星的航天器可以携带的东西非常有限。 当然,它会有船员和燃料。 然而,所有这些人都需要物资,包括在地面上使用的动力装置。 事实证明,目前大多数火箭只能携带100吨左右(不包括燃料)。 仅一个核电站就可以提供大约 1 千瓦的电力,大约是 9.5 吨。 然而,这并非不可克服。 但是,任务计划者希望最大限度地减少任务的重量,以便获得最大的收益。 那么,如果有比核能更轻的替代品呢? 比如太阳能?

这是加州大学伯克利分校的一对研究生想要回答的问题。 因此,他们做了一个研究项目,着眼于火星殖民者的未来能源。 Aaron Berliner 专攻核工程,而 Anthony Abel 则对太阳能光伏电池的进步感兴趣。 他们一起分析了在火星上停留 480 天的六人任务的电力需求。 特别是,他们研究了火星上太阳能可能很有意义的地点。 而且,他们的发现似乎混淆了传统智慧。


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如果未来计划的定居点位于火星平面地图上的黄色区域,光伏将是最佳选择。 还显示了之前登陆火星的任务的地点,包括 Jezero 陨石坑(右上),美国宇航局的“恒心号”漫游车正在探索该地点。  (图片来源:加州大学伯克利分校的 Anthony Abel 和 Aaron Berliner)
定居在地球中纬度地区(以黄色显示)的未来火星探险者可以使用光伏发电。 注意之前发送到火星的其他任务的位置。 许多人也在同一地区,并在其探索的某些方面使用太阳能。 图片来源:加州大学伯克利分校的 Anthony Abel 和 Aaron Berliner)

如果我们未来的火星人定居在中纬度地区,特别是在地球赤道地区附近,太阳能发电站可能会胜过核能。 为什么是这样? 首先,中纬度地区阳光充足,为什么不利用这一点呢? 其次,太阳能电池的重量比核电站轻。 要获得与核电站相同的电力,新一代太阳能技术仅需要大约 8.3 吨货物。 这比核能显着减轻重量。

火星和下一代太阳能

我们在这里谈论的是哪种电池? Berliner 和 Abel 研究了使用光伏发电和电解的系统。 也就是说,他们使用电将水分解成氢气和氧气。 学生们还计算出白天产生的一些能量将用于生产用于燃料电池的氢气。 这与地球上一些家庭和企业使用太阳能将能量存储在 Powerwalls 和电池中供夜间使用的方式大致相似。

好消息? 所有这些太阳能的优点都可以通过当前的光伏技术实现。 而且,当然,技术一直在改进,所以当火星任务准备好发射时,今天的太阳能电池的全新版本就可以使用了。

“你屋顶上的硅板,带有钢结构、玻璃背衬等,不会与新的和改进的核能竞争,”阿贝尔在一篇文章中说。 加州大学伯克利分校的新闻稿“但是这些更新的轻巧、灵活的面板突然间真的,真的改变了这种对话。”

优势:太阳能

火星上太阳能的优势大于问题。 尽管殖民者可能不得不经常清除细胞上的灰尘,但它们更轻的重量意味着可以将更多的面板送往火星。 这包括主要系统的备份。 随着更新、更轻的电池上线,太阳能可能成为未来火星殖民地的主要能源。 这并不是说核能也不会出现。 从长远来看,殖民者可能需要他们可以获得的每一种发电技术,无论是可靠性还是灵活性。 而且,在不久的将来,由于需要降低成本,太阳能很可能是要走的路。

欲了解更多信息,Abel 和 Berliner 撰写的论文标题为 “光伏驱动发电可以支持人类在火星上的探索”,并发表在《天文学和空间科学前沿》上。 他们的工作由美国国家航空航天局和美国国家科学基金会资助。