A alta eficiência, leveza e flexibilidade da mais recente tecnologia de painéis solares, significa que a energia fotovoltaica pode fornecer toda a energia necessária para uma missão estendida a Marte, ou mesmo uma colônia permanente por lá, de acordo com uma nova análise de cientistas da Universidade da Califórnia, Berkeley.
A maioria dos cientistas e engenheiros que pensaram sobre a logística de viver na superfície do Planeta Vermelho assumiu que a energia nuclear é a melhor alternativa, em grande parte por causa de sua confiabilidade e operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Na última década, os reatores de fissão nuclear Kilopower miniaturizados avançaram ao ponto em que a NASA os considera uma fonte de energia segura, eficiente, abundante e fundamental para a futura exploração robótica e humana.
A energia solar, por outro lado, deve ser armazenada para uso noturno, que em Marte dura aproximadamente o mesmo tempo que dura na Terra. Em Marte, a produção de energia dos painéis solares pode ser reduzida pela poeira vermelha onipresente que cobre tudo. O veículo rover chamado Opportunity, de quase 15 anos da NASA, alimentado por painéis solares, parou de funcionar após uma enorme tempestade de poeira em Marte em 2019.
O novo estudo, publicado esta semana na revista Frontiers in Astronomy and Space Sciences, usa uma abordagem de sistemas para comparar essas duas tecnologias frente a frente para uma missão estendida de seis pessoas a Marte envolvendo uma estadia de 480 dias no planeta, antes de retornar à Terra. Esse é o cenário mais provável para uma missão que reduz o tempo de trânsito entre os dois planetas e estende o tempo na superfície além de uma janela de 30 dias.
Sua análise descobriu que para locais de colonização em quase metade da superfície marciana, a energia solar é comparável ou melhor que a nuclear, se você levar em conta o peso dos painéis solares e sua eficiência - desde que alguma energia diurna seja usada para produzir gás hidrogênio, para uso em células de combustível para alimentar a colônia à noite ou durante tempestades de areia.
“A geração de energia fotovoltaica acoplada a certas configurações de armazenamento de energia em hidrogênio molecular supera os reatores de fusão nuclear em mais de 50% da superfície do planeta, principalmente nas regiões ao redor da faixa equatorial."
Disse Aaron Berliner, estudante de doutorado em bioengenharia da UC Berkeley, um dos dois primeiros autores do artigo. A nova descoberta contrasta bastante com o que foi proposto repetidamente em antiga literatura, que sugere que este papel seria melhor cumprido pela energia nuclear.
O estudo oferece uma nova perspectiva sobre a colonização de Marte e fornece um roteiro para decidir quais outras tecnologias implantar ao planejar missões tripuladas para outros planetas ou luas.
"Este artigo tem uma visão global de quais tecnologias de energia estão disponíveis e como podemos implantá-las, quais são os melhores casos de uso para elas e onde elas ficam aquém", disse o co-primeiro autor Anthony Abel, estudante de pós-graduação em Departamento de Engenharia Química e Biomolecular.
"Se a humanidade decidir coletivamente que queremos ir a Marte, esse tipo de abordagem em nível de sistema é necessário para realizá-lo com segurança e minimizar os custos de uma maneira ética. Estamos decidindo quais tecnologias usar, quais locais ir em Marte, como ir e quem levar."
Missões mais longas têm maiores necessidades de energia
No passado, as estimativas da NASA das necessidades de energia dos astronautas em Marte geralmente se concentravam em estadias curtas, que não exigem processos famintos de energia para cultivar alimentos, fabricar materiais de construção ou produzir produtos químicos. Mas como a NASA e os líderes de empresas que agora estão construindo foguetes que podem ir a Marte - incluindo Elon Musk, CEO da SpaceX, e Jeff Bezos, fundador da Blue Origin - falam sobre a ideia de colonização de longo prazo, fontes de energia maiores e mais confiáveis precisam ser consideradas.
A complicação é que todos esses materiais devem ser transportados da Terra para Marte a um custo de centenas de milhares de dólares por quilo, tornando o baixo peso essencial.
Uma das principais necessidades é a energia para instalações de biofabricação que usam micróbios geneticamente modificados para produzir alimentos, combustível de foguete, materiais plásticos e produtos químicos, incluindo medicamentos. Abel, Berliner e seus coautores são membros do Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES), um esforço multiuniversitário para ajustar micróbios usando as técnicas de inserção de genes da biologia sintética para fornecer suprimentos necessários para uma colônia.
Os dois pesquisadores descobriram, no entanto, que sem saber quanta energia estará disponível para uma missão estendida, era impossível avaliar a praticidade de muitos processos de biofabricação.
Então, eles decidiram criar um modelo computadorizado de vários cenários de fornecimento de energia e prováveis demandas de energia, como manutenção de habitat - que inclui controle de temperatura e pressão - produção de fertilizantes para agricultura, produção de metano para o retorno de foguetes à Terra e produção de bioplásticos para fabricação de peças de reposição.
Colocados contra um sistema nuclear Kilopower estavam os fotovoltaicos com três opções de armazenamento de energia: baterias e duas técnicas diferentes para produzir gás hidrogênio a partir da energia solar - por eletrólise e diretamente por células fotoeletroquímicas. Nos últimos casos, o hidrogênio é pressurizado e armazenado para uso posterior em uma célula de combustível para produzir energia quando os painéis solares não estão produzindo.
Apenas a energia fotovoltaica com eletrólise - usando eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio - era competitiva com a energia nuclear: provou ser mais econômica por quilograma do que a nuclear em quase metade da superfície do planeta.
O principal critério foi o peso. Os pesquisadores assumiram que um foguete transportando uma tripulação para Marte poderia transportar uma carga útil de cerca de 100 toneladas, excluindo o combustível, e calcularam quanto dessa carga útil precisaria ser dedicada a um sistema de energia para uso na superfície do planeta. Uma viagem de ida e volta de Marte levaria cerca de 420 dias - 210 dias em cada sentido. Surpreendentemente, eles descobriram que o peso de um sistema de energia seria inferior a 10% de toda a carga útil.
Para um local de pouso perto do equador, por exemplo, eles estimaram que o peso dos painéis solares mais o armazenamento de hidrogênio seria de cerca de 8,3 toneladas, contra 9,5 toneladas para um sistema de reator nuclear Kilopower.
Seu modelo também especifica como ajustar os painéis fotovoltaicos para maximizar a eficiência para as diferentes condições em locais em Marte. A latitude afeta a intensidade da luz solar, por exemplo, enquanto poeira e gelo na atmosfera podem espalhar comprimentos de onda mais longos de luz.
Avanços em energia fotovoltaica
Abel disse que os painéis fotovoltaicos agora são altamente eficientes na conversão da luz solar em eletricidade, embora os melhores desempenhos ainda sejam caros. A inovação mais crucial, no entanto, é um painel solar leve e flexível, que facilita o armazenamento no foguete de saída e reduz o custo de transporte.
"Os painéis de silício que você tem em seu telhado, com construção de aço, suporte de vidro, etc., simplesmente não vão competir com os novos e melhorados painéis, mas mais novos, leves e flexíveis. Eles rapidamente mudam essa conversa, ", disse Abel.
Ele observou também que o peso mais leve significa que mais painéis podem ser transportados para Marte, fornecendo backup para quaisquer painéis que falhem. Embora as usinas nucleares de quilowatt forneçam mais energia, são necessárias menos, portanto, se uma cair, a colônia perderia uma proporção significativa de sua energia.
Berliner, que também está se formando em engenharia nuclear, entrou no projeto com um viés para a energia nuclear, enquanto Abel, cuja tese de graduação era sobre inovações em energia fotovoltaica, era mais a favor da energia solar.
“Sinto que este artigo realmente se origina de um desacordo científico e de engenharia saudável sobre os méritos da energia nuclear versus energia solar, e que realmente o trabalho é apenas tentar descobrir e fazer uma aposta”, disse Berliner. "que acho que perdi, com base nas configurações que escolhemos para publicar. Mas é uma perda feliz, com certeza."
Outros co-autores do artigo são Mia Mirkovic, pesquisadora da UC Berkeley no Berkeley Sensor and Actuator Center; William Collins, professor residente da UC Berkeley da Terra e Ciências Planetárias e cientista sênior do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab); Adam Arkin, diretor do CUBES e Dean A. Richard Newton Memorial Professor no Departamento de Bioengenharia da UC Berkeley; e Douglas Clark, Professor Gilbert Newton Lewis no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular e reitor da Faculdade de Química. Arkin e Clark também são cientistas seniores do corpo docente do Berkeley Lab.
O trabalho foi financiado pela NASA (NNX17AJ31G) e bolsas de pós-graduação da National Science Foundation (DGE1752814).
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Tradução de Elise Gomes.
Story Source: Materials provided by University of California - Berkeley. Original written by Robert Sanders. Note: Content may be edited for style and length.
Journal Reference:
Anthony J. Abel, Aaron J. Berliner, Mia Mirkovic, William D. Collins, Adam P. Arkin, Douglas S. Clark. Photovoltaics-Driven Power Production Can Support Human Exploration on Mars. Frontiers in Astronomy and Space Sciences, 2022; 9 DOI: 10.3389/fspas.2022.868519