Berkeley, California Üniversitesi'ndeki bilim adamları tarafından yapılan yeni bir analizde, en son güneş pili teknolojisinin yüksek verimliliği, hafifliği ve esnekliği, fotovoltaiklerin uzun bir Mars görevi için gereken tüm gücü, hatta orada kalıcı bir yerleşim için de gereken enerjiyi sağlayabileceği ifade ediliyor.

Kızıl Gezegenin yüzeyinde yaşamanın lojistiği hakkında düşünen çoğu bilim insanı ve mühendis, büyük ölçüde güvenilirliği ve 7/24 çalışması nedeniyle nükleer gücün en iyi alternatif olduğunu varsaymıştır. Geçtiğimiz on yılda, minyatürleştirilmiş Kilopower nükleer fisyon reaktörleri, NASA'nın onları güvenli, verimli ve bol bir enerji kaynağı ve gelecekteki robotik ve insan keşiflerinin anahtarı olarak gördüğü noktaya kadar ilerledi.

Öte yandan güneş enerjisi, Dünya'dakiyle yaklaşık aynı süreye sahip Mars gecesi boyunca kullanılmak üzere depolanmalıdır. Ve Mars'ta, güneş panellerinin güç üretimi, her şeyi kaplayan ve her yerde bulunan kırmızı toz tarafından düşebilir. Öyle ki, NASA'nın güneş panelleriyle çalışan yaklaşık 15 yaşındaki Opportunity gezgini, 2019'da Mars'ta büyük bir toz fırtınasının ardından çalışmayı durdurmuştu.

Frontiers in Astronomy and Space Sciences dergisinde bu hafta (27 Nisan 2022) yayınlanan yeni çalışma, Dünya’ya dönmeden önce, Mars'ta 480 gün kalmayı içeren altı kişilik genişletilmiş bir görev için bu iki teknolojiyi kafa kafaya karşılaştırmak üzere bir sistem yaklaşımı kullanmaktadır. Bu bir görev için, iki gezegen arasındaki geçiş süresini azaltırken yüzeyde geçen süreyi 30 günlük bir zaman diliminin ötesine uzatan en olası senaryodur.

Mars'a seyahat eden astronotların, yanlarında Dünya'dan aldıkları güç sisteminin ağırlığını en aza indirmeleri gerekecek. Planlanan yerleşim yeri, bu düzleştirilmiş Mars haritasındaki sarı alandaysa, fotovoltaikler en iyi seçim olacaktır. Ayrıca, NASA'nın gezici Perseverance'ın şu anda keşfetmekte olduğu Jezero Krateri (sağ üst) dahil olmak üzere Mars'a inen önceki görevlerin yerleri de gösteriliyor. (Grafik çalışması: Anthony Abel ve Aaron Berliner, UC Berkeley)

Söz konusu analizlerde güneş panellerinin ağırlığı ve verimliliği hesaba katılırsa, Mars yüzeyinin neredeyse yarısını kapsayan yerleşim yerinde güneş enerjisinin nükleerle karşılaştırılabilir veya daha iyi olduğu iddia edildi tabii ki bu gündüz enerjisinin geceleri veya kum fırtınaları sırasında koloniye enerji sağlamak için yakıt hücrelerinde kullanılan hidrojen gazını ürettiği sürece…

Makalenin ilk yazarlarından biri olan UC Berkeley biyomühendislik doktora öğrencisi Aaron Berliner, “Belirli enerji depolama konfigürasyonlarıyla birleştirilen fotovoltaik enerji üretimi gezegen yüzeyinin %50’sinden fazlasının üzerinde, özellikle ekvator bandının etrafındaki bölgelerde, (literatürde tekrar tekrar ileri sürüldüğünün aksine)  nükleer füzyon reaktörlerinden daha iyi bir performans sergiliyor.” dedi.

Çalışma, Mars kolonizasyonuna yeni bir bakış açısı getiriyor ve diğer gezegenlere veya aylara insanlı görevler planlanırken hangi teknolojilerin kullanılacağına karar vermek için bir yol haritası sunuyor.

"Bu makale, hangi güç teknolojilerine sahip olduğumuza, bunları nasıl dağıtabileceğimize, onlar için en iyi kullanım durumlarının neler olduğu ve nerelerde yetersiz kaldığına dair küresel bir bakış açısı getiriyor," dedi. Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümü. "İnsanlık topluca Mars'a gitmek istediğimize karar verirse, bunu güvenli bir şekilde gerçekleştirmek ve maliyeti etik bir şekilde en aza indirmek için bu tür sistem düzeyinde bir yaklaşım gereklidir. Hangi teknolojileri kullanacağımıza, Mars'ta hangi yerlere gideceğimize, nasıl gideceğimize ve kimi getireceğimize karar verirken seçenekler arasında net bir karşılaştırma yapmak istiyoruz."

Daha uzun görevler daha fazla güç gerektirir

Geçmişte, NASA'nın Mars'taki astronotların güç ihtiyaçlarıyla ilgili tahminleri, genellikle gıda yetiştirmek, inşaat malzemeleri veya kimyasallar üretmek için güce aç süreçler gerektirmeyen kısa süreli konaklamalara odaklanmıştı. Ancak NASA ve SpaceX CEO'su Elon Musk ve Blue Origin'in kurucusu Jeff Bezos da dahil olmak üzere artık Mars'a gidebilecek roketler yapan şirketlerin liderleri, uzun vadeli, gezegen dışı yerleşimler, daha büyük ve daha fazla ve daha güvenilir güç kaynaklarının dikkate alınmasını dile getiriyorlar.

Ay'da kavramsal bir fizyon yüzeyi Kilopower sisteminin illüstrasyonu.

(Görsel: NASA'nın izniyle)

Buradaki zorluk, tüm bu malzemelerin, kilo başına yüz binlerce dolarlık bir maliyetle Dünya'dan Mars'a taşınması gerektiği ve bu da yolculukların düşük ağırlığı yapılmasını gerekli hale getiriyor.

Temel ihtiyaçlardan biri, gıda, roket yakıtı, plastik malzemeler ve ilaçlar dahil kimyasallar üretmek için genetiği değiştirilmiş mikropları kullanan biyo-üretim tesisleri için güçtür. Abel, Berliner ve makalenin ortak yazarları, bir koloni için gerekli malzemeleri tedarik etmek için sentetik biyolojinin gen yerleştirme tekniklerini kullanarak mikroplar üzerinde ufak tefek düzeltmeler yapan çok üniversiteli bir grup olan Uzayda Biyolojik Mühendislik Kullanımı Merkezi'nin (CUBES) üyeleridir.

Ancak iki araştırmacı, genişletilmiş bir görev için ne kadar gücün mevcut olacağını bilmeden, birçok biyo-üretim sürecinin pratikliğini değerlendirmenin imkansız olduğunu keşfetti. Bu nedenle, çeşitli güç kaynağı senaryolarının ve sıcaklık ve basınç kontrolünü içeren habitat bakımı gibi tarım için gübre üretimi, roket iticilerinin Dünya'ya dönmesi için metan üretimi ve yedek parça üretmek için biyoplastik üretimi gibi olası güç taleplerinin bilgisayarlı bir modelini oluşturmaya başladılar.

Bir Kilopower nükleer sistemine karşı üç güç depolama seçeneğine sahip fotovoltaikler vardı. Bataryalar ve güneş enerjisinden hidrojen gazı üretmek için iki farklı teknik - elektroliz ve doğrudan enerji elde edilen fotoelektrokimyasal hücreler. Sonraki durumlarda, hidrojen basınçlandırılır ve daha sonra güneş panelleri olmadığında güç üretmek için bir yakıt hücresinde kullanılmak üzere depolanır.

Yalnızca elektrolizli fotovoltaik güç (suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için elektriği kullanarak) nükleer güçle rekabet edebilirdi: Gezegenin yüzeyinin neredeyse yarısında, kilogram başına nükleerden daha uygun maliyetli olduğunu kanıtladı.

Ana kriter ağırlıktı. Araştırmacılar, mürettebatı Mars'a taşıyan bir roketin yakıt hariç yaklaşık 100 tonluk bir yük taşıyabileceğini varsaydılar ve bu yükün ne kadarının gezegenin yüzeyinde kullanılmak üzere bir güç sistemine ayrılması gerektiğini hesapladılar. Mars'a ve Mars'tan bir yolculuk yaklaşık 420 gün sürecektir (Her yön için 210 gün). Şaşırtıcı bir şekilde, bir güç sisteminin ağırlığının tüm taşıma yükünün %10'undan bile daha az olacağını buldular.

Örneğin, ekvator yakınındaki bir iniş alanı için, güneş panelleri artı hidrojen depolamanın ağırlığının, bir Kilopower nükleer reaktör sistemi için 9,5 tona karşılık yaklaşık 8,3 ton olacağını hesapladılar.

Tasarlanan model ayrıca, Mars yüzeyindeki sitelerde meydana gelecek farklı koşullar için verimliliği en üst düzeye çıkarma konusunda fotovoltaik panellerin nasıl ayarlanacağını da belirtir. Örneğin, enlem güneş ışığının yoğunluğunu etkilerken, atmosferdeki toz ve buz ışığın daha uzun dalga boylarında yayılmasına neden olabilir.

Fotovoltaiklerdeki Gelişmeler

Abel, fotovoltaiklerin artık güneş ışığını elektriğe dönüştürmede oldukça verimli olduğunu, ancak en iyi performans gösterenlerin hala pahalı olduğunu söyledi. Ancak en önemli yenilik, giden rokette depolamayı kolaylaştıran ve nakliye maliyetini azaltan hafif ve esnek bir güneş panelidir.

Mars'taki insanlar, sadece mevcutta bulunan hammaddeleri kullanmaları gerekecektir; - su buzu, atmosferik gazlar, Mars toprağı ve güneş ışığı –  hayatta kalmak için ihtiyaç duyulacak her şey. CUBES'teki gibi araştırmacılar, bu hammaddeleri gıda, ilaç, yakıt ve yapı malzemelerine dönüştürmenin yolları üzerinde çalışıyor. Bu akış şeması, yerinde kaynak kullanımının (ISRU –In-Situ Resource Utilization), hammaddeleri, gıda ve ilaçları (FPS – Food Pharma Systems) sentezlemek ve ekip tarafından kullanılmak üzere biyopolimerler (ISM) üretmek için kullanılabilecek bir forma nasıl dönüştürdüğünü gösterir. Verimliliği en üst düzeye çıkarmak ve Dünya'dan tedarik lojistiği maliyetini azaltmak için atık toplanır ve yeniden kullanılır (döngü kapatma veya LC). (Resim: Aaron Berliner ve Davian Ho, UC Berkeley)

“Çatınızda bulunan, çelik konstrüksiyonlu, cam destekli vb. silikon paneller, yeni ve geliştirilmiş nükleerle rekabet etmeyecek, ancak daha yeni hafif, esnek paneller birdenbire bu konuşmayı gerçekten, gerçekten değiştirecek, dedi Abel.

Ayrıca, daha hafif ağırlığın, daha fazla panelin Mars'a taşınabileceği anlamına geldiğini ve başarısız olan herhangi bir panel için bir yedeğin sağlanabileceğini belirtti. Kilowatt nükleer santraller daha fazla güç sağlarken, daha azına ihtiyaç duyulur, bu nedenle eğer biri çökerse koloni gücünün önemli bir bölümünü kaybeder.

Aynı zamanda nükleer mühendislik diploması da alan Berliner, projeye nükleer enerjiye yönelik bir önyargıyla girerken, lisans tezi fotovoltaikteki yenilikler hakkında olan Abel ise daha çok güneş enerjisinden yanaydı.

Berliner, "Bu makalenin gerçekten, nükleer ve güneş enerjisinin esasına ilişkin sağlıklı bir bilimsel ve mühendislik anlaşmazlığından kaynaklandığını ve işin gerçekten sadece bizim anlamaya ve bir bahsi çözmeye çalıştığımızı hissediyorum" dedi. “Bunu yayınlamak için seçtiğimiz konfigürasyonlara dayanarak kaybettiğimi düşünüyorum. Ama tabii ki mutlu bir kayıp.” dedi.

Makalenin diğer ortak yazarları, Berkeley Sensör ve Aktüatör Merkezi'nde UC Berkeley'de araştırmacı olan Mia Mirkovic; William Collins, UC Berkeley'de dünya ve gezegen bilimi profesörü ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda (Berkeley Lab) kıdemli bilim adamı; CUBES direktörü Adam Arkin ve UC Berkeley Biyomühendislik Bölümü'nde Dekan A. Richard Newton Memorial Profesörü; ve Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümü'nde Gilbert Newton Lewis Profesörü ve Kimya Koleji dekanı Douglas Clark. Arkin ve Clark aynı zamanda Berkeley Lab'de kıdemli öğretim üyeleridir.

Çalışma, NASA (NNX17AJ31G) ve Ulusal Bilim Vakfı'ndan (DGE1752814) lisansüstü araştırma bursları tarafından finanse edilmiştir.

Levent Aslan

Mühendislik ve Teknoloji sitesinden...