Энергия марсианского ветра может стать ключом к устойчивому присутствию человека на Красной планете
Создание человеческой базы на Марсе требует надежной и постоянной энергии, чего нельзя сказать о нынешних источниках энергии, используемых марсоходами (солнечной и ядерной). Недавно ученые с помощью моделирования продемонстрировали потенциал энергии ветра на Марсе для будущих пилотируемых исследовательских миссий - ресурс, который до сих пор не использовался.
Энергетическая устойчивость для поверхностных мест обитания, систем жизнеобеспечения и научных приборов является одним из приоритетных вопросов для будущих пилотируемых миссий на Марс. Кроме того, источники энергии, используемые для нынешних роботизированных миссий на Марс, могут быть потенциально опасными вблизи мест обитания человека (ядерные) или недостаточно стабильными в суточном или сезонном масштабе времени (солнечные). Однако до сих пор энергия ветра "игнорировалась" как источник энергии.
Действительно, оценить глобальные изменения ветра на всей планете чрезвычайно сложно, поскольку характеристики почвы, температура поверхности, изменения солнечного облучения и непрозрачность пыли варьируются от места к месту. Тем не менее ученые используют ветер, чтобы понять климат Марса сегодня и в прошлом. Эти данные о ветре также помогут им изучить, почему одни пылевые бури становятся глобальными, а другие - нет. Изучение ветра и пыли поможет будущим космическим и человеческим миссиям.
В связи с этим исследовательская группа под руководством Виктории Хартвик из Исследовательского центра НАСА имени Эймса в Маунтин-Вью, Калифорния, попыталась установить энергетический потенциал ветряных турбин в качестве альтернативного энергоресурса на поверхности Марса, используя глобальную модель климата Марса. Их исследование опубликовано в журнале .
Пыль - основная проблема
Поскольку марсианская атмосфера настолько тонкая, с атмосферным давлением около 1% от земного, добавление даже небольшого количества пыли резко увеличивает количество поглощенного солнечного света, что в свою очередь резко влияет на температуру, которая в свою очередь влияет на общую циркуляцию атмосферы - и, следовательно, на потенциал солнечной энергии.
Отчасти из-за отсутствия океанов, а отчасти из-за сильной положительной обратной связи между подъемом пыли и силой циркуляции, на Марсе могут развиваться глобальные пылевые бури. Эти бури могут блокировать солнце на несколько недель и вызывать огромные изменения в атмосферных условиях, что делает рискованной попытку высадки на поверхность. Пыль также представляет опасность для оптики, оборудования и, возможно, физиологии человека.
Перед лицом этих изменчивых и почти непредсказуемых марсианских ветров ветровой потенциал Марса не может быть описан полностью. Поэтому команда использует планетарную модель климата Марса, основанную на модели климата Земли. Несмотря на то, что две планеты различаются, это обеспечивает прочную основу. Они добавили данные из точных карт, составленных миссиями Mars Global Surveyor и Viking.
Например, модель имитировала различные скорости ветра на планете в течение дня, сезонов и лет, поскольку штормы меняются от года к году. Хартвик пишет в журнале Inverse: "Самое интересное в такого рода исследованиях то, что фундаментальная физика, управляющая динамикой атмосферы и климатом на Земле, Марсе и других планетарных системах, одинакова. Таким образом, вы можете построить эту структуру и переориентировать конкретные области модели, чтобы действительно определить конкретные области климата Марса по сравнению с климатом Земли, по сравнению с климатом Венеры, и с климатом экзопланет".
Предпочтительные места
Затем исследователи обнаружили, что скорость ветра в определенных местах посадки будущих миссий достаточно высока, чтобы обеспечить автономный или дополнительный источник энергии к солнечной или ядерной энергии. Они нашли 23 участка, наиболее подходящих для установки ветряных турбин.
В то время как несколько регионов демонстрируют многообещающий потенциал, другие регионы, представляющие научный интерес, могут быть отброшены на основании только природного потенциала солнечной и ветровой энергии.
Авторы показывают, что ветровые турбины могут стать важным источником энергии, особенно ночью и в пыльный сезон на Марсе и вдоль топографических склонов. В частности, посадочные площадки в высоких широтах, вблизи подземных водных ледяных ресурсов, становятся доступными благодаря использованию энергии ветра в дополнение к солнечной и ядерной энергии.
В частности, предлагаемые турбины стабилизируют производство электроэнергии в сочетании с солнечными батареями, увеличивая время, в течение которого энергия превышает расчетные потребности миссии с примерно 40% для одних только солнечных батарей до более чем 60-90% на большой части поверхности Марса.
Хартвик объясняет, что это исследование - приглашение инженерному сообществу изучить работу ветряной турбины на Марсе. Действительно, турбины должны будут работать в уникальных марсианских условиях и должны легко транспортироваться, строиться и обслуживаться. Необходима значительная работа, чтобы лучше понять и оценить уникальные технические требования и проблемы ветроэнергетики.
Первая звуковая запись бури на Марсе
Ранее в этом месяце были опубликованы результаты исследований, проведенных марсоходом НАСА Perseverance с помощью микрофона SuperCam для записи звуков марсианского пылевого дьявола. Пылевой дьявол прошел прямо над Perseverance 27 сентября 2021 года, на 215-й марсианский день миссии.
В то же время, когда микрофон SuperCam записывал пыльного дьявола, были включены глубинные L-датчики Perseverance (измеряющие ветер, давление, температуру и пыль) и левая навигационная камера ровера. Это позволило ученым объединить данные о звуке, изображениях и атмосфере. Уникальное сочетание этих данных вместе с моделированием атмосферы позволило исследователям оценить размеры пылевого дьявола: 25 метров в ширину, не менее 118 метров в высоту и скорость движения около 19 км/ч.
Следует отметить, что ветры на Марсе могут как помогать, так и вредить космическим аппаратам. Так, на снимке, опубликованном в июне 2021 года, видны темные пятна: их создают струи газа, которые выходят из-под этого льда, проходят через трещины и выбрасывают пыль. Затем ветер уносит эту пыль и полосами оседает на поверхности. На основании этого изображения ученые могут сделать вывод о направлениях и силе ветров.
Все эти данные помогут оценить потенциальные места посадки для создания человеческих баз для устойчивого освоения Марса.