Was auf dem Mars pro Quadratkilometer leichter zu bauen ist; Gewächshausfenster oder Photovoltaik/LEDs?

Wenn jemand große Mengen an Nahrungsmitteln auf dem Mars anbauen und Sonnenlicht anstelle von Kernenergie oder anderen Quellen angeben wollte, wären die beiden Optionen, die mir einfallen, Gewächshäuser und Photovoltaik/LEDs.

Betrachten Sie Quadratkilometer-Typen von Gebieten:

Gewächshausfenster müssten den mechanischen Druck des von den Pflanzen benötigten atmosphärischen Drucks unterstützen (sagen wir 1/3 der Erde, es sei denn, Sie haben maßgeblichere Zahlen). Ohne die warme Luft der Erde wäre die Außenfläche von Gewächshausfenstern den Infrarottemperaturen des Weltraums ausgesetzt und die Scheiben müssten auch eine gewisse Wärmedämmung leisten. Diese Pflanzen würden leiden, wenn es drinnen zu kalt würde, und für eine optimale Wachstumsrate müsste die Temperatur sorgfältig reguliert werden? Dann gibt es Konzentratoren, um das schwächere Mars-Sonnenlicht zu nehmen und es zur effizienten Nutzung auf einzelne Pflanzen zu fokussieren.

Vergleichen Sie mit der Photovoltaik - könnten sie leichter robust gegen Unterdruck und Kälte gemacht werden als Gewächshausfenster?

Wäre es einfacher, Pflanzen in 3D mit LEDs zu stapeln, als sie über kilometerlange Gewächshausböden zu verteilen? Wäre die Feuchtigkeits- und Temperaturregelung einfacher und effizienter und die Gesamtmenge an benötigtem Wasser in Kilogramm geringer in einer Konfiguration als in der anderen?

Ein Beispiel dafür, was 3D-Stapeln bedeutet, finden Sie unter The Daily Mail , Modern Farmer und National Geographic .

Es gibt hier mehrere verwandte Fragen, aber ich glaube, dass, wenn es eine maßgebliche Quelle gibt, die Gewächshäuser mit PV/LEDs vergleicht, sie wahrscheinlich alle diese berücksichtigt hat.

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Quelle

Zubrin hat ziemlich viel darüber geschrieben, und er bringt ein gutes Argument dafür vor, dass der Anbau von Pflanzen mit photovoltaisch erzeugtem Licht unhaltbar ist, da (iirc) die Sonneneinstrahlung auf Rhode Island größer ist als die weltweite Energieversorgung. Der Einfall auf dem Mars ist nicht so schlimm, 3D-Stapelung ist mit Sonnenlicht möglich (weitere Abstände), und das hohe CO2, das leicht auf dem Mars entsteht, kann dem verringerten Ernteertrag entgegenwirken. Der Treibhauseffekt funktioniert immer noch und Kuppeln können aufgrund des geringeren erforderlichen Drucks schwach sein.
„Die Sonneneinstrahlung von Rhode Island ist größer als die weltweite Energieversorgung“ – das wäre ein Argument für die Verwendung von PV zur Beleuchtung von Gewächshäusern, nicht dagegen.
Zu beachten ist der sehr geringe Wirkungsgrad einer Photovoltaik/LED-Kombination. 10 % oder sogar weniger für Lichtenergie hinein bis Lichtenergie heraus.
@Uwe wir vergleichen zwei Dinge. Die Photosynthese beträgt etwa 1%, oder? Ein Professor von mir hat uns vor zig Jahren gelehrt, das Wort „ineffizient“ niemals zu verwenden, es sei denn in einem direkten, quantitativen Vergleich mit etwas, das nachweislich effizienter ist . Sonst ist es kein hilfreiches Konzept.
@ uhoh Ich habe nur die Effizienz eines Fensters mit der Photovoltaik/LED-Kombination verglichen. Die geringe Effizienz der Photosynthese gilt für beide Fälle.
Mit @Uwe LEDs können Sie Wellenlängen verschieben und konzentrieren. Die Photosynthese nutzt nicht die Wellenlängen, in denen das Sonnenlicht am stärksten ist. i.stack.imgur.com/oi8Yk.png Es verwendet so ziemlich nur Rot und Blau. Mit PV/LED können Sie die Intensität im breiten Bereich in der Mitte des sichtbaren Spektrums erfassen und in schmale Spitzen verschieben, wo Chlorophyll sie tatsächlich nutzen kann. Siehe diese Frage . Es ermöglicht Ihnen auch, die Zeit zu verschieben, um Nutzungsmuster zu optimieren, und den Raum zu verschieben, indem Sie das Licht dynamisch auf die Pflanzen und nicht auf den Raum dazwischen konzentrieren.

Antworten (2)

Die Sonneneinstrahlung auf dem Mars ist etwa halb so hoch wie auf der Erde .

Ein Gewächshaus müsste also doppelt so groß sein wie auf der Erde, um mit Solarkonzentratoren eine erdäquivalente Lichtmenge auf die Pflanzen zu bringen. Wenn Sie die Konzentratoren außerhalb des Gewächshauses bauen, kann das Gewächshaus kleiner sein, aber Sie würden eine hohe Struktur für den Konzentrator benötigen (in erster Näherung so hoch wie das Gewächshaus breit ist).

Nehmen wir an, alle Baumaterialien müssen von der Erde transportiert werden, also dient das Gewicht als Ersatz für die Kosten.

Auf der Erde sind Gewächshäuser einfach zu bauen: nur ein Rahmen und Glasscheiben. Auf dem Mars muss die Struktur unter Druck gesetzt werden, wodurch die Struktur schwerer wird.

Eine Glasscheibe, die 0,33 bar aufnehmen kann, wird dick : Eine Belastung von 4 kN/m 2 erfordert bereits 2 x 25 mm Glas, und 1/3 bar sind 33 kN/m 2 . Plastik mag dünner sein, aber nicht 100 Mal dünner.

PV-Module hingegen benötigen keinen atmosphärischen Druck, um zu funktionieren. So können Sie leichte Rahmen mit Paneelen darauf bauen. Sogar Roll-up-Arrays könnten funktionieren. Ich kann leicht einen Gewichtsvorteil von 10:1 für PV-Module erkennen.

Die billigste Kombination wäre dann ein kleines Druckgebäude voller Pflanzen mit 3D-Stapelung, die von einem PV-Feld außerhalb gespeist werden. Sie könnten die Pflanzen sogar in einen Tunnel stecken und sie vor Strahlung schützen lassen.

Selbst wenn Sie die Gewächshausfläche verdoppeln, erhalten Sie immer noch die gleiche Menge Sonnenlicht pro cm^2 Pflanzenblatt. Und während Sie einige Beeren oder Haselnüsse anbauen könnten, vergessen Sie Mais, Kartoffeln oder Weizen, diese brauchen einfach mehr Lichtdichte. OTOH, eine Hybridmethode mit einer Kombination aus LED und Sonnenlicht, sollte gut funktionieren.
@SF. Es ist ein guter Punkt, aber diese Frage lebt so ziemlich in "Größenordnung". Wir können davon ausgehen, dass es gentechnisch veränderte Pflanzen geben wird, die bei wechselndem Sonnenlicht wachsen, sodass die Wachstumsrate nicht mehr als linear mit reduziertem Sonnenlicht leiden würde, und wahrscheinlich sind einige Verbesserungen auf dem Weg, die weiter helfen werden. Und es gibt immer die Möglichkeit von Reflektoren, sodass zwei Quadratmeter Fläche einen Quadratmeter auf dem Gewächshausboden speisen. Sie verlieren immer noch den Faktor 2, aber die Pflanze erhält terrestrisches Sonnenlicht.
Ich hatte auf eine Antwort gehofft, die einige Links zu Orten enthält, an denen wir sehen können, dass dies funktioniert hat, oder dass es hier geklappt hat. Ich bin mir nicht sicher, ob "teuer" die richtige Metrik ist, es sei denn, Sie meinen wirklich die massenbezogenen Kosten, die es mit sich bringt, es von der Erde dorthin zu fliegen. Was sind die relativen "Versandgewichte" eines Quadratmeters PV-Modul, das auf dem Mars 15 Jahre halten könnte, und eines Quadratmeters Gewächshausfenster, das auf dem Mars funktionieren und 15 Jahre halten würde? Dann können wir einen Faktor hinzufügen, der das Verhältnis von Lebensmittelertrag pro Quadratmeter PV zu Fenster widerspiegelt. Ich habe eine starke Vermutung, dass dies die richtige Schlussfolgerung ist, aber es ist mehr erforderlich
@uhoh: ... oder Quadratmeter "Spiegel" -Folie plus leichte Gerüste aus PVC-Rohren. Guter Punkt mit den Reflektoren. Das Gewächshaus wäre auch mit ziemlicher Sicherheit aus Kunststoff und nicht aus Glas, wenn es versendet würde. Wenn es sich um Glaskonstruktionen handeln sollte, würden eher Teile für den Bau eines Glasofens als Glasplatten versandt.
@SF. Welcher transparente Kunststoff kann 15 Jahre lang dem UV-Licht der Sonne auf dem Mars ausgesetzt werden, ohne Solarisation (Verdunkelung) oder Haarrisse oder Schlimmeres? Wurde einer identifiziert? Glas ist ein erstaunliches Zeug, diese doppelten SI=O-Bindungen können viel aushalten.
@uhoh: Eines, das etwa alle 3 Jahre ausgetauscht wird ;) Glas ist sehr schön, aber es bietet eine lausige Haltbarkeit pro Gramm. Ich sehe wirklich kein Glas im Wert eines Gewächshauses, das zum Mars verschifft wird. Außerdem eignet sich Kunststoff viel besser für Blasenstrukturen (unter Druck).
@SF. Können Sie den spezifischen Kunststoff nennen, von dem Sie sprechen, und den Test zeigen, der dies beweist? Können Sie dies in eine Antwort einbauen, das wäre großartig!
@uhoh: Übliches Polyethylen, wie es in Folientunneln verwendet wird . Ich kenne keine "Weltraumnutzungen", aber auf der Erde halten sie 4-5 Jahre . Ich persönlich stelle mir die Gewächshäuser viel kleiner vor – vermutlich viele Kuppeln mit mehreren Metern Durchmesser; Dadurch würden sowohl Verluste im Falle eines Bruchs minimiert, als auch Wartungspausen (Druckabbau) besser "verteilbar" sein, und das Halten von ~0,3 bar im Inneren würde keinen enormen Stress verursachen.
@SF. OK, ich habe nach der UV-Exposition auf dem Mars gefragt, daher helfen Informationen über die Exposition auf der Erde nicht.
@SF. Lassen Sie uns die Diskussion eröffnen. Ich habe eine Folgefrage gestellt .

Dies ist eine ziemlich schwierig zu lösende Frage:

Das Problem bei der Verwendung eines Gewächshauses auf dem Mars wäre die hohe schädliche Sonnenstrahlung auf der Oberfläche aufgrund der dünnen Marsatmosphäre und des fehlenden Magnetfelds. Auch der großflächige Einsatz von Solarmodulen auf der Marsoberfläche wäre aufgrund der Staubansammlung schwierig.

Und wie Sie bereits erwähnt haben, spielen noch viele weitere Faktoren eine Rolle, wie die Wärmedämmung und die Niederdruckumgebung.

Eine mögliche Lösung wäre die Verwendung von Solarenergiesatelliten, um mithilfe eines Mikrowellensenders und -empfängers Strom auf eine unterirdische 3D-Stapelfarm zu strahlen. Während ein solcher Aufbau auf dem Mars aufgrund des niedrigen Atmosphärendrucks praktikabler ist, würde der Sender am Ende immer noch groß und schwierig einzurichten sein.

Einer der Menschen (oder Roboter), die sich um die Pflanzen kümmern und das Essen essen (ok, kein Roboter), kann einfach nach draußen gehen und die Fenster fegen. Glas, das bereits dick genug ist, um den Druckunterschied auszuhalten und thermisch zu isolieren, kann auch so konstruiert werden, dass es schädliche UV- oder Röntgenstrahlen absorbiert, wenn dies nicht bereits der Fall ist. PVs in die Umlaufbahn zu bringen, beantwortet die gestellte Frage nicht.
Was auf dem Mars pro Quadratkilometer leichter zu bauen ist; Gewächshausfenster oder Photovoltaik/LEDs?
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