Wissenschaftler zeigen, dass Solarenergie für den Betrieb einer bemannten Marsmission besser geeignet ist als Kernenergie

Eine bemannte Mission zum Mars erfordert den Transport von Geräten zur Erzeugung von Strom für die lebenserhaltenden Systeme. Bei der Wahl des verwendeten Gerätetyps muss ein Kompromiss zwischen Masse und Energieeffizienz gefunden werden. Die Forscher zeigen hier, dass ein photovoltaisches System, das komprimierten Wasserstoff als Energiespeicher nutzt, auf etwa 50 % des Roten Planeten mit der Kernenergie konkurrieren kann. Ein Artikel aus Frontiers in Astronomy and Space Sciences.

Quelle: Frontiers in Astronomy and Space Sciences.

— Photovoltaik könnte effizient auf der Hälfte des Planeten Mars eingesetzt werden. —

Überblick und Berechnung des Spektralflusses anhand atmosphärischer Daten. (A) Das auf die Solarzellen einfallende Sonnenlicht wird durch die Orbitalgeometrie und die lokale atmosphärische Zusammensetzung von Gasen, Eis und Staub beeinflusst. (B, C und D) Temperatur, Partialdruck der atmosphärischen Gase sowie Konzentration und effektive Radien von Eis- und Staubpartikeln als Funktion der Höhe über der Oberfläche. (E) Informationsfluss im Berechnungsschema. Gepunktete Linien stellen die für die Berechnungen verwendeten Funktionen dar; durchgezogene Linien stellen die als Parameter verwendeten Daten dar. MCD, Mars Climate Database; LRT, LibRadtran. (F) Gesamter (schwarz), direkter (blau) und diffuser (rot) Sonnenfluss am Jezero-Krater zur Mittagszeit, gemittelt über den Verlauf eines typischen Marsjahres. In (B), (C), (D) und (F) stellen die durchgezogenen Linien die Jahresmittelwerte dar und die schattierten Bereiche die Standardabweichung aufgrund der saisonalen Schwankungen.

27. April 2022. Kein anderer Planet in unserem Sonnensystem hat die menschliche Fantasie mehr angeregt als der Mars. Während die moderne Wissenschaft widerlegt hat, daß der Rote Planet eine mögliche Quelle einer außerirdischen Invasion sein kann, bringt uns die heutige Technologie einer bemannten Mission näher. Ein Forscherteam der Universität von Kalifornien in Berkeley hat in der Zeitschrift Frontiers in Astronomy and Space Sciences einen Artikel veröffentlicht, in dem die Ansicht vertreten wird, dass eine menschliche Expedition auf der Marsoberfläche durch die Nutzung von Sonnenenergie betrieben werden könnte.

Das Konzept ist nicht neu. Die Hauptstromquelle für einige Marsrover der NASA ist eine Solaranlage mit mehreren Paneelen. In den letzten zehn Jahren seien die meisten Menschen jedoch davon ausgegangen, dass die Kernenergie für menschliche Missionen eine bessere Option sei als die Solarenergie, so Aaron Berliner, Mitautor der Studie und Doktorand der Biotechnologie am Arkin Laboratory der UC Berkeley.

Was die aktuelle Studie einzigartig macht, ist die Art und Weise, wie die Forscher verschiedene Möglichkeiten der Energieerzeugung verglichen haben. Bei den Berechnungen wurde die Masse der Ausrüstung berücksichtigt, die für eine Sechs-Personen-Mission von der Erde zur Marsoberfläche transportiert werden müsste. Konkret wurden die Anforderungen eines nuklearbetriebenen Systems mit denen verschiedener photovoltaischer und sogar photoelektrochemischer Geräte verglichen.

Abwägung der Optionen

Während die Energieleistung eines miniaturisierten Kernspaltungsgeräts ortsunabhängig ist, hängt die Produktivität solarbetriebener Lösungen von der Sonnenintensität, der Oberflächentemperatur und anderen Faktoren ab, die bestimmen, wo ein nichtnuklearer Außenposten optimal platziert werden könnte. Dazu musste eine Reihe von Faktoren modelliert und berücksichtigt werden, z. B. wie Gase und Partikel in der Atmosphäre Licht absorbieren und streuen, was sich auf die Sonneneinstrahlung an der Planetenoberfläche auswirken würde.

Das Ergebnis: eine Fotovoltaikanlage, die komprimierten Wasserstoff zur Energiespeicherung nutzt. Am Äquator beträgt die vom Team so genannte “Mitnahme-Masse” eines solchen Systems etwa 8,3 Tonnen gegenüber etwa 9,5 Tonnen bei der Kernkraft. Näher Richtung Pole wird das solarbasierte System mit mehr als 22 Tonnen weniger tragfähig, schlägt aber die Spaltungsenergie auf etwa 50 % der Marsoberfläche.

Solare Produktivität auf der Marsoberfläche. (A) Durchschnittliche tägliche Solarstromproduktionskapazität auf der Marsoberfläche. (B) Gesamte mitgeführte Masse, die für die Stromerzeugung mit dem PV + E-Erzeugungssystem erforderlich ist. Die schwarze gestrichelte Linie entspricht der Gewinnschwelle bei der nuklearen Stromerzeugung. (C) Aufschlüsselung der mitgeschleppten Masse für die Standorte in (B) für jede Stromerzeugungsoption. Die schwarze gestrichelte Linie entspricht der Gewinnschwelle bei nuklearer Stromerzeugung. Optimale (D) obere, (E) mittlere, (F) untere Bandlücken für die PV-Anlage mit 3 Übergängen.

“Ich finde es gut, dass das Ergebnis ziemlich genau in der Mitte geteilt wurde”, sagte Berliner. “In der Nähe des Äquators gewinnt die Solarenergie, in der Nähe der Pole die Kernenergie.”

Ein solches System kann Elektrizität nutzen, um Wassermoleküle zu spalten und Wasserstoff zu erzeugen, der in Druckbehältern gespeichert und dann in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung wiederverwendet werden kann. Andere Anwendungen für Wasserstoff sind die Kombination mit Stickstoff zur Herstellung von Ammoniak für Düngemittel – ein gängiges Verfahren im industriellen Maßstab.

Andere Technologien wie die Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff und Wasserstoff-Brennstoffzellen sind auf der Erde weniger verbreitet, was vor allem auf die Kosten zurückzuführen ist, könnten aber für die menschliche Besiedlung des Mars von entscheidender Bedeutung sein.

“Die Energiespeicherung von komprimiertem Wasserstoff fällt ebenfalls in diese Kategorie”, so Anthony Abel, ein Doktorand der Chemie- und Biomolekulartechnik an der UC Berkeley, der die Studie mitverfasst hat. “Für die Energiespeicherung im Netzbereich wird er noch nicht häufig verwendet, obwohl sich das im nächsten Jahrzehnt ändern dürfte.

Anlehnen an die Natur

Sowohl Abel als auch Berliner gehören dem Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES) an, einem Projekt, das Biotechnologien zur Unterstützung der Weltraumforschung entwickelt. CUBES konzentriert sich beispielsweise auf die Entwicklung von Mikroben zur Herstellung von Kunststoffen aus Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff oder von Arzneimitteln aus CO2 und Licht.

In dem neuen Papier wird eine Richtlinie für den Strom- und Wasserstoffhaushalt festgelegt, die diese Art von Anwendungen ermöglichen würde.

“Jetzt, da wir eine Vorstellung davon haben, wie viel Energie zur Verfügung steht, können wir damit beginnen, diese Verfügbarkeit mit den Biotechnologien in CUBES zu verbinden”, so Berliner. “Wir hoffen, dass wir letztendlich ein vollständiges Modell des Systems mit allen Komponenten erstellen können, das uns bei der Planung einer Marsmission, der Bewertung von Kompromissen, der Identifizierung von Risiken und der Entwicklung von Abhilfestrategien im Vorfeld oder während der Mission helfen wird.

Neben den wissenschaftlichen und technologischen Aspekten ist es laut Abel auch wichtig, die menschliche Komponente der Weltraumforschung zu berücksichtigen. “Um Chanda Prescod-Weinstein zu zitieren: ‘Unsere Probleme reisen mit uns in den Weltraum’. Wenn wir also darüber nachdenken, zum Mars zu fliegen, müssen wir auch darüber nachdenken, wie wir Probleme wie Rassismus, Sexismus und Kolonialismus angehen, um sicherzustellen, dass wir auf die ‘richtige’ Weise zum Mars fliegen.”

Originalartikel

Frontiers in Astronomy and Space Sciences, 27 April 2022 | Photovoltaics-driven power production can support human exploration on Mars
Autor 1: Herr Anthony Abel, Abteilung für Chemieingenieurwesen, UC Berkeley, Berkeley, CA, USA
Autor 2: Herr Aaron Berliner, Abteilung für Nukleartechnik und Abteilung für Biotechnik, UC Berkeley, Berkeley, CA, USA

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