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Moon Energy: tecnologías de próxima generación para afrontar el desafío energético

La exploración humana futura de la Luna y más allá requerirá nuevas tecnologías para la generación y el almacenamiento de energía.

Casi 50 años desde la última misión humana a la luna, la carrera para regresar ha comenzado cuando Estados Unidos planea su programa Artemis para llevar al próximo hombre y la primera mujer allí en 2024.

A diferencia de las misiones Apolo cuando la luna era el destino final, esta vez Artemisa También se considera el punto de partida para la exploración humana de Marte. Esto, a su vez, presenta un conjunto de nuevos desafíos de apoyo humano que deben superarse para permitir una presencia a largo plazo en el espacio.

En preparación para esto, se propone una presencia humana sostenible en un campamento base lunar. Allí, desde su ubicación prevista en el Polo Sur, se proponen toda una gama de actividades científicas y exploratorias, que incluyen expediciones de uno a dos meses fuera de la aldea, para avanzar en las tecnologías necesarias, así como para aprender más sobre la Luna y el universo. como un todo.

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Combinada con los recursos en el sitio, la energía es un requisito previo para la vida humana en la Luna y para una posible base futura en Marte. Actualmente se están desarrollando varias opciones potenciales para respaldar el hábitat de la Luna y para operar rovers y otras operaciones.

paneles solares verticales

Entre los más avanzados se encuentra el concepto de una matriz solar de despliegue vertical.

Las estructuras de paneles solares y los sistemas de difusión con clasificación espacial actuales están diseñados para su uso en microgravedad o difusión de superficie horizontal. La posición vertical y la elevación de este nuevo concepto tiene como objetivo maximizar la amplitud y evitar pérdidas en el polo lunar donde el sol no se eleva lejos del horizonte.

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Con formaciones rocosas como colinas y acantilados, la luz de ángulo bajo puede proyectar sombras en la superficie, lo que puede evitar que los paneles solares estructurados horizontalmente reciban luz. Una estructura solar vertical alta aumentaría la posibilidad de obtener luz ininterrumpida.

matriz solar vertical. Foto: NASA

La NASA está trabajando con cinco empresas para madurar la tecnología. En la primera fase, las empresas – Astrobotic Technology, ATK Space Systems (Northrop Grumman), Honeybee Robotics, Lockheed Martin y Space Systems Loral (Maxar Technologies) – completarán diseños para matrices que pueden desplegarse de forma independiente hasta 9,5 metros y deshacer una transferencia. si es necesario.

Además, los diseños deben permanecer estables en terrenos empinados, ser resistentes al polvo lunar abrasivo y reducir la masa y el volumen empaquetado para ayudar a llevarlos a la superficie lunar.

Al final de la fase de diseño, la NASA planea seleccionar hasta dos diseños para construir prototipos y realizar pruebas ambientales, uno de los cuales se seleccionará para el despliegue final cerca del final de esta década.

Chuck Taylor, quien lidera el desarrollo de paneles solares verticales en el Centro de Investigación Langley de la NASA en Hampton, Virginia, espera que los desarrollos que hacen que los paneles solares sean más eficientes cuando encuentran sombra lunar deben implementarse aquí en la Tierra. Por ejemplo, los propietarios de viviendas y negocios pueden beneficiarse de diseños con aire acondicionado que aumentan la eficiencia de los paneles solares ubicados en techos que a veces están a la sombra de árboles o edificios altos.

doblador de luz

Otro nuevo concepto en desarrollo para desplegar la base del polo sur de la Luna es el Light Bender, que utiliza una combinación de espejos y lentes para capturar, enfocar y enfocar la luz solar.

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Luego, esta luz se conecta en paralelo con una lente de Fresnel para su distribución a múltiples usuarios finales a distancias de 1 km o más, donde se convierte en electricidad utilizando arreglos fotovoltaicos pequeños (2-4 m de diámetro) que se pueden unir a hábitats o activos tales como un rover errante.

El concepto Light Bender es superior a alternativas como la radiación de energía láser, ya que convierte la luz en electricidad solo una vez, y con una reducción de masa de aproximadamente 5 veces, a las arquitecturas de distribución de energía convencionales que dependen de cables de masa intensiva.

También permite la operación de activos científicos y de otro tipo en áreas permanentemente sombreadas.

Concepto Light Bender. Foto: NASA Ronald Neal

El diseño inicial tiene un espejo primario que captura aproximadamente 48 kW de luz solar. La energía eléctrica para el usuario final depende de la distancia desde el punto de recolección inicial, pero el análisis preliminar sugirió que al menos 9 kW de energía continua estarían disponibles dentro de un rango de un kilómetro.

Los estudios en curso de la Fase 1 abordarán los problemas de diseño del sistema que afectan el rendimiento y la idoneidad operativa del sistema. Es de gran importancia el diseño del espejo / lente óptica y cómo este diseño se manifiesta en una estructura mecánica destinada a desplegarse independientemente de un pequeño volumen empaquetado. La cifra clave del mérito al final será minimizar la masa de aterrizaje.

Distribución de energía de próxima generación

Además de estas iniciativas, la NASA Iniciativa de innovación científica lunar La primera oportunidad de financiación seleccionó tres tecnologías de distribución de energía que podrían implementarse para apoyar las actividades en la Luna.

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El proyecto Moonbeam dirigido por Philip Lubin, profesor de física en la Universidad de California, Santa Bárbara, está desarrollando un sistema compacto y modular de “energía dirigida” para transmitir energía de forma inalámbrica utilizando luz láser del infrarrojo cercano. Las aplicaciones potenciales incluyen la exploración y el uso de recursos en regiones de la Luna permanentemente sombreadas con muchos rovers dentro de rangos de más de un kilómetro.

Un proyecto de Arthur Witolsky en la Universidad de Vanderbilt en Nashville y GE Research tiene como objetivo proporcionar componentes de energía de carburo de silicio (SiC) tolerantes a la radiación que puedan operar cerca de los voltajes nominales sin quemarse o degradarse por radiación a la que están sujetos. entorno espacial. Con bajas pérdidas, alto voltaje y clasificaciones de corriente, los transistores y diodos de potencia de SiC son ideales para aplicaciones aeroespaciales.

Las metodologías de control para la distribución de energía flexible entre muchas redes eléctricas diferentes son el foco de una investigación dirigida por Jin Wang en la Universidad Estatal de Ohio en Columbus. El objetivo es desarrollar un enrutador de alimentación de CC modular que funcione no solo como un controlador de flujo de energía, sino también como un disyuntor inteligente.

Algunas de las aplicaciones previstas con estas tecnologías incluyen la prospección de agua, la extracción de oxígeno y el análisis de la fuerza y ​​composición de la superficie lunar, todo lo cual respaldará una presencia creciente en la Luna que depende cada vez más de los recursos locales.