Проектирование устойчивых энергетических систем для лунных и марсианских операций на поверхности
Включение следующего рубежа: инженерные системы устойчивой энергии для постоянных лунных и марсианских баз
Установление постоянного присутствия человека на Луне и Марсе больше не является вопросом , если , но , когда . Наиболее важным фактором этих амбиций является не ракетный двигатель или модуль среды обитания — это надежная, устойчивая электрическая система. В отличие от Международной космической станции, которая получает почти непрерывный солнечный свет и регулярное пополнение запасов с Земли, поверхностные операции на Луне и Марсе сталкиваются с жестокими, беспрецедентными проблемами: 14-дневные лунные ночи, сезонные марсианские пыльные бури, которые блокируют солнечный свет в течение нескольких недель, колебания температуры, превышающие 250 ° C, и неустанное космическое излучение. Мощность должна быть доступна в 100% случаев для поддержания жизнеобеспечения, связи, ISRU (использование ресурсов на месте) и системы мобильности. В этой статье рассматриваются инженерные ограничения, новые технологии и принципы проектирования систем, необходимые для создания энергетических сетей, которые могут выжить и процветать на Луне и Марсе.
Суровые операционные среды: почему наземные решения терпят неудачу
Устойчивая конструкция энергосистемы должна начинаться с четкого понимания окружающей среды.Луна и Марс часто группируются вместе как «внеземные» среды, но их проблемы с электротехникой заметно различаются.
Лунные поверхностные условия
Луна не имеет атмосферы, магнитного поля и период вращения около 29,5 земных дней. Это приводит к дневному световому периоду примерно 14 земных дней, за которым следует 14-дневная ночь. В течение ночи температура поверхности падает до -173 ° C вблизи полюсов и даже холоднее в постоянно затененных кратерах. Любая солнечная энергетическая система должна хранить достаточно энергии в течение двух недель непрерывной темноты или полагаться на альтернативный первичный источник, такой как ядерный реактор. Кроме того, лунный реголит электростатически заряжен и высоко абразивный; он придерживается солнечных батарей, снижает эффективность теплового отторжения и может вызвать дугу в открытых проводниках.
Марсианские условия поверхности
Марс имеет тонкую атмосферу углекислого газа (около 0,6% давления Земли), 24,6-часовой день и сезонные циклы, подобные земным. В то время как ночи короче, Марс страдает от окружающих планету пылевых бурь, которые могут уменьшить прямой солнечный свет более чем на 99 процентов в течение нескольких недель. Эти бури также оседают мелкой, электрически активной пылью на поверхностях. Средние дневные температуры на экваторе могут достигать 20 ° C, но ночные минимумы падают до −73 ° C. В сочетании с высокими уровнями излучения (около 40-50 раз годовая доза на Земле), любая силовая электроника должна быть закалена излучением и предназначена для работы в широком тепловом диапазоне без активных циклов охлаждения, которые могут выйти из строя.
Технологии первичного поколения: согласование источника с миссией
Ни одна технология одного поколения не подходит для всех этапов миссии. Устойчивая архитектура системы должна содержать несколько источников, каждый из которых обслуживает определенный рабочий цикл и профиль риска.
Фотоэлектрические лучи с оптикой концентратора
Солнечные панели остаются самым дешевым, самым высоким вариантом наследования для обеих поверхностей. Однако стандартные наземные массивы со стеклянными чехлами слишком тяжелые и хрупкие. Инженеры разрабатывают гибкие тонкопленочные фотоэлектрические (PV) элементы , использующие материалы с несколькими соединениями III-V (например, InGaP / GaAs / Ge), которые обеспечивают эффективность выше 30% в космосе и могут быть свернуты или сложены для компактного транспорта. Для Марса марсоход Perseverance продемонстрировал конструкцию , которая сбрасывает пыль более эффективно, чем горизонтальные панели. Для Луны вертикальные полярные массивы на полюсе могут достигать почти непрерывного солнечного света, будучи размещенными на гребнях. Предстоящие миссии планируют протестировать солнечные отражатели для фокусировки солнечного света на небольших высокоэффективных элементах, уменьшая площадь ячейки в 10 раз и снижая стоимость.
Поверхностная мощность деления (FSP)
Для устойчивости к ночным и пылевым бурям ядерная энергия является наиболее надежным путем к генерации мощной базовой нагрузки. НАСА и Министерство энергетики США продвигают проект по производству энергии на поверхности, нацеленный на реактор мощностью 40 кВт, который может работать в течение по крайней мере 10 лет. Эти системы используют топливо с высоким содержанием высокообогащенного урана (HALEU), циклические преобразователи Стирлинга или Брэйтона и пассивные циклы охлаждения натрия-калия (NaK). Один реактор может питать небольшой модуль среды обитания; несколько реакторов могут быть подключены к микросети для большей базы. Ключевое преимущество заключается в том, что установка деления независима от солнечного света, пыли и дневного / ночного цикла, обеспечивая устойчивую мощность 24/7 с сроком службы топлива, который охватывает всю продолжительность миссии.
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG) и динамические системы
RTG приводили в действие каждую дальнюю космическую миссию в течение десятилетий (например, Voyager, Cassini, Perseverance). Они надежны, не имеют движущихся частей и производят энергию в течение десятилетий, но они предлагают низкую удельную мощность (около 5 Вт / кг) и производят только десятки - сотни ватт. Для поверхностных операций RTG лучше всего подходят для резервного копирования , удаленных научных станций или ночной струйной зарядки. Новые разработки в динамической радиоизотопной силовой системе (преобразователи Стирлинга) могут повысить эффективность от ~ 6% до более 25%, производя 300-500 Вт на единицу, что достаточно для питания небольшого марсохода под давлением или критических систем одной среды обитания во время чрезвычайных ситуаций.
Оригинальное название: Bridging the Dark Gap
Даже при ядерной базовой нагрузке хранение энергии имеет важное значение для выравнивания нагрузки, переходных процессов высокой мощности (например, бурение, зарядка ровера) и резервного копирования во время технического обслуживания реактора или аварийных отключений.
Литий-ионные батареи с электролитами Lunar/Mars-Grade
Современные литий-ионные элементы с богатыми никелем катодами могут достигать 250-300 Втч / кг при комнатной температуре, но их производительность сильно ухудшается ниже −20 ° C. Для выживания в лунную ночь батареи должны быть размещены в изолированных корпусах с интегрированными нагревателями, которые потребляют накопленную энергию. Исследователи разрабатывают низкотемпературные электролиты на основе фторированных растворителей и двухсолевых составов (например, LiFSI / LiPF6), которые сохраняют емкость до −60 ° C. Твердотельные литиевые металлические батареи (например, с использованием сульфидных или оксидных электролитов) обещают более безопасную работу при более высоких плотностях энергии (400-500 Втч / кг) и более широких температурных диапазонах, но они еще не квалифицированы для длительного космического полета.
Регенеративные топливные элементы
Система регенеративных топливных элементов (RFC) использует водный электролиз для производства водорода и кислорода в периоды солнечного света, а затем рекомбинирует их в топливном элементе для производства электроэнергии во время темноты. RFCs предлагают высокую удельную энергию (уровень системы 600-800 Втч / кг) и не саморазрядятся, что делает их идеальными для многодневных или многонедельных ночных циклов. Однако им требуются резервуары для хранения газа, которые добавляют объем и массу, а управление водой в условиях микрогравитации является сложной задачей. Для лунных баз, замкнутые RFCs могут также поставлять кислород и воду для жизнеобеспечения, создавая синергетическую интегрированную систему.
Термальное хранение энергии
Недооцененный подход - хранение энергии в виде тепла. Материалы с фазовым изменением (PCM), такие как фторид лития или солевая эвтектика, могут быть расплавлены концентрированным солнечным светом или отработанным теплом от реактора, затем использованы для привода двигателя Стирлинга или термоэлектрического генератора во время темноты. Системы термохранилища проще, дольше живут (без химической деградации) и могут масштабироваться до очень высоких мощностей. Для Марса, где ночи короче, тепловая батарея на основе реголита может быть создана путем нагрева местной почвы и извлечения тепла через закопанные тепловые трубы. Этот подход напрямую использует материалы in-situ.
Архитектура распределения мощности: концепция микросетей
Устойчивость заключается не только в генерации и хранении, она критически зависит от того, как распределяется, контролируется и контролируется мощность на географически распределенной основе.
Высоковольтные DC (HVDC) микросети
Передача энергии на лунной или марсианской поверхности лучше всего достигается при высоковольтном прямом токе (HVDC) при 1200 В или выше. HVDC уменьшает массу кабеля (более низкий ток означает меньшие проводники) и устраняет реактивные потери мощности. Каждая среда обитания, лаборатория, установка ISRU и станция зарядки ровера соединены через интеллектуальные силовые узлы , которые обеспечивают гальваническую изоляцию, защиту от тока и двунаправленный поток энергии. Центральный контроллер микросети использует телеметрию в реальном времени для балансировки нагрузок, сбрасывать некритические схемы и перенастраивать сеть, когда происходит неисправность - аналогично наземным «самоисцеляющимся» сетям.
Радиационная электроника с усиленной энергией
Все преобразователи, инверторы и распределительные устройства должны быть разработаны для уровней полной ионизирующей дозы (TID) 50-100 крад (Si) и одномерных эффектов (SEE) от галактических космических лучей. Широкополосные полупроводники, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) , предпочтительны, потому что они работают при более высоких температурах (до 300 °C) и имеют лучшую толерантность к излучению, чем кремний. транзисторы SiC с полупроводниковым полевым эффектом (MOSFET) и диоды Шоттки теперь имеют космическую квалификацию и включены в блоки управления и распределения мощности следующего поколения (PMAD).
Устойчивость через избыточность и модульность
Ключевым архитектурным принципом является избыточность n+2 для всех критических компонентов: по крайней мере, два дополнительных источника питания (солнечные массивы, реакторы, накопители) сверх минимального требования. Модульность позволяет отключать и изолировать неисправные блоки, не нарушая остальную часть сетки. Стандартизированные разъемы интерфейса — аналогичные Lunar Surface Power Connector, разрабатываемому НАСА — позволяют «подключать и воспроизводить» реконфигурацию астронавтами или роботами, использующими только ручные инструменты.
Принципы проектирования систем экстремально-экологической энергии
Основываясь на десятилетиях наследия космических полетов и новом опыте наземных микросетей, следующие принципы проектирования составляют основу устойчивой системы:
Радиация и затвердевание пыли
Все открытые поверхности должны быть экранированы или защищены. Солнечные батареи могут быть покрыты стеклом, легированным церием , которое сопротивляется потемнению от излучения и электростатического пылевого отталкивания с использованием прозрачных проводящих электродов. Электроника питания должна быть заключена в герметичные, нажатые или горшковые модули с конформным покрытием для предотвращения токов утечки пыли. По возможности помещайте чувствительную электронику в места обитания или закапываемую в реголит для дополнительного экранирования.
Термическое управление без активных охлаждающих звеньев
Насосные петли с радиаторами тяжелые и уязвимые для микрометеороидных проколов и засорения пыли. Пассивный тепловой контроль с использованием тепловых труб с титаново-водными или натриевыми рабочими жидкостями может транспортировать сотни ватт на десятки метров без движущихся частей. Для высокотепловых нагрузок (например, реакторные преобразователи), переменно-проводниковые тепловые трубы (VCHP) могут поддерживать стабильную температуру даже при колебаниях внешних условий от волдыря до криогенной ночи.
Автономное обнаружение и восстановление неисправностей
Задержки связи в оба конца (1,3 секунды до Луны, до 40 минут до Марса) означают, что наземное управление не может быстро реагировать на неисправности. Каждый узел питания должен выполнять встроенную диагностику , которая контролирует напряжение, ток, температуру и сопротивление изоляции. Алгоритмы машинного обучения, обученные телеметрии, могут прогнозировать начальные сбои (например, набухание батареи, деградация мембраны топливных элементов) и автоматически передавать нагрузки до поездки.
Устойчивость без земных запасов
Поскольку окна пополнения запаса находятся от нескольких месяцев (Луна) до нескольких лет (Марс), компоненты системы питания должны быть разработаны для на орбите или ремонта поверхности с использованием аддитивного производства (3D-печать) и замены общего модуля. Планы печати по требованию для разъемов, кронштейнов и даже простых плат могут храниться в цифровой библиотеке и изготавливаться из доступных материалов. Программа NASA Арчинавт продемонстрировала автономную сборку фермовых структур; аналогичные методы могут использоваться для замены поврежденной панели солнечной батареи без внекорабельной активности человека (EVA).
Новые технологии: что на горизонте
В следующем десятилетии произойдет переход от лабораторных технологий к летным:
Беспроводная передача энергии (WPT)
WPT с использованием микроволновых или лазерных лучей может устранить необходимость в кабеле между дрейфующими роверами, орбитальными активами или удаленными инструментами. Lunar Wireless Power Challenge НАСА финансирует концепции наземного луча к приемнику на ровере. Эффективность по-прежнему низкая (20-40%) для дальних расстояний, но для оппортунистической зарядки на короткие расстояния (100 м), WPT может упростить логистику и уменьшить повреждение от износа разъема и попадания пыли.
Использование ресурсов in-Situ (ISRU) для топлива и солнечных элементов
Использование реголита для производства солнечных элементов является большой проблемой. Лунный реголит содержит кремний, железо, алюминий и кислород; пирометаллургические или расплавленно-солевой электролиз процессы могут извлекать металлы, а методы осаждения пара могут создавать тонкопленочные аморфные кремниевые элементы - при очень низкой эффективности (~ 2%), но потенциально полезны для больших массивов земли, которые структурно проще. Для Марса, производство кислорода из атмосферы CO2 (Эксперимент MOXIE) и хранение его в качестве расходуемого материала для топливных элементов создает систему хранения энергии замкнутого цикла и жизнеобеспечения.
Продвинутые ядерные микрореакторы
Kilopower (NASA/DOE) доказала концепцию реактора деления 1-10 кВт с использованием ядра урана-молибдена и конверторов Стирлинга. Микрореакторы следующего поколения, такие как eVinci и EM2 компании Westinghouse, используют охлаждение тепловых труб и могут доставлять 200-1000 кВт на единицу — достаточно для питания полномасштабной лунной базы. Самые большие оставшиеся проблемы — это запуск и посадка этих реакторов безопасно без ядерного загрязнения и разработка надежного метода отвода тепла в вакууме.
Заключение
Проектирование устойчивых энергетических систем для лунных и марсианских поверхностных операций требует системного подхода, который объединяет генерацию, хранение, распределение и управление в единой сплоченной архитектуре. Солнечные и ядерные источники дополняют друг друга: солнечная энергия обеспечивает обильную мощность в течение дневных циклов, в то время как ядерная энергия обеспечивает постоянную базовую нагрузку в течение ночных и пыльных бурь. Избыточная модульность, интеллектуальное управление микросетями и расширенное управление тепловыми сетями обеспечивают, чтобы сеть пережила сбои компонентов. В перспективе беспроводное энергоснабжение, производство с поддержкой ISRU и автономные алгоритмы восстановления неисправностей раздвинут границу того, что возможно.
Все эти инновации активно разрабатываются и тестируются с помощью таких программ, как проект НАСА Kilopower , DOE’s Space Reactor Research и ESA’s Moon Surface Power Studies. Энергетические системы, которые мы строим сегодня, определят, смогут ли завтрашние исследователи пережить ночь, выдержать шторм и в конечном итоге процветать в других мирах.
Инженеры и планировщики миссий должны начать сейчас стандартизировать интерфейсы, квалифицировать устройства с широким диапазоном пропускания и тестировать топливные элементы замкнутого цикла в вакуумных камерах. Луна и Марс не прощают, но с тщательной конструкцией, основанной на устойчивости, мы можем обеспечить надежную мощность на границе.