Zurück zum Oribt vom Mars - wie viele km^2 Jahre Solarenergie, um genug Treibmittel herzustellen?

In diesem coolen Video einer Präsentation über die GPU-basierte Computational Fluid Dynamics von SpaceX gibt es schon früh eine Folie über die Herstellung von Raketentreibstoff auf dem Mars – insbesondere die Verwendung von Wasser aus dem Boden und Kohlendioxid aus der Atmosphäre zur Herstellung von Sauerstoff und Methan:

2H2O + CO2 -> CH4 + 2O2

In diese Richtung zu gehen, erfordert Energie, und ich vermute, dass Solarenergie in irgendeiner Form sicherlich ein Weg wäre.

Es kann mehrere Möglichkeiten geben, Solarenergie zum Antreiben endothermer chemischer Reaktionen zu nutzen. Es gibt beispielsweise Photokatalyse, konzentrierte solarthermische Katalyse, Photovoltaik für thermische Katalyse und/oder Elektrolyse. "Was ist die beste Methode ..." wäre eine großartige Frage, aber es ist nicht diese Frage.

Diese Frage: Ballpark-Zahlen: Wenn sieben Leute in eine Kapsel steigen wollten (könnte derselbe Drache sein, der sie dorthin gebracht hat oder nicht), die jetzt auf einem Methan / LOX-brennenden Booster sitzen, abheben und in die Marsumlaufbahn zurückkehren, um sich mit einem zu treffen wartende Fahrzeug nach Hause, und aus irgendeinem Grund mussten sie die Treibmittel aus Wasser und Kohlendioxid herstellen, ungefähr wie viele Quadratkilometer Jahre Solarenergie auf dem Mars wären notwendig, um diese Treibmittel zu synthetisieren?

Angenommen, Lebensmittel, Wasser und ein Fahrzeug für die Rückkehr warten im Orbit auf sie, aber sie müssen die Treibmittel herstellen, um auf dem Mars in die Umlaufbahn zu gelangen, wie in der Bildschirmaufnahme gezeigt.

Methantreibstoff von SpaceX auf dem Mars

Diese Frage und alle Antworten können hier hilfreich sein.

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Ich habe keine genauen Zahlen, aber schätzen wir es ein wenig ...

Die Umlaufgeschwindigkeit des Mars beträgt etwa 3,3 km/s. Deine Drachenkapsel hat eine Masse von etwa 8 Tonnen. Ihre gesamte Rakete würde also ungefähr 50 Tonnen wiegen, um die Marsumlaufbahn zu erreichen. Das dabei benötigte Methan/Sauerstoff beträgt etwa 36 Tonnen. Davon sind etwa 12 Tonnen Methan. Um 1 kg Methan zu erzeugen, benötigen wir 50 MJ Energie.

Der Abstand des Mars zur Sonne beträgt im Durchschnitt etwa 1,5 AE. Damit beträgt die pro m² erzeugte Sonnenenergie etwa 44 % der Erdenergie.

In Äquatornähe hat man mittags rund 600 W/m² Sonneneinstrahlung. Aufgrund der Planetenrotation können Sie den halben Tag nutzen, um Strom zu erzeugen, und er steigt von Sonnenaufgang bis Mittag an und nimmt dann bis Sonnenuntergang ab. Sie können diese Menge jedoch erhöhen, indem Sie die Paneele beabstanden und drehen, also nehmen wir an, wir haben am Ende effektive 150 W /m².

Wenn wir wirklich effiziente Solarmodule verwenden, können wir wahrscheinlich bis zu 50 W/m² erzeugen. Sie können wahrscheinlich 60 % dieser Energie in Kraftstoff umwandeln.

also 12.000 * 50 MJ / 60 % ~ 1 TJ. Bei 50 W/m² wären das etwa 2 * 10^10 m² * s oder 634 m² * Jahr.

Dies berücksichtigt natürlich noch nicht die Verluste beim Speichern oder Komprimieren des Kraftstoffs ... mit allen Annahmen könnten Sie jedoch am Ende mit dem 10- bis 50-fachen dieser Zahl enden.

OK, das ist genau das, worauf ich gehofft hatte - klares Ballparken. Meinen Sie dann, dass es ausgeschlossen werden kann oder nicht - dass es zumindest nach dieser Berechnung nicht sofort unmöglich ist? Ich versuche nicht zu fragen "kann Solar funktionieren" - nur "kann Solar sofort ausgeschlossen werden?" So viel zur Klarsicht meinerseits.
Ich würde sagen, dass Solarenergie nicht sofort ausgeschlossen werden kann, aber auf Massenbasis wäre Atomkraft praktischer und möglicherweise zuverlässiger.

Aus Wikipedia erfuhr ich, dass mit 700 W Leistung an einem Tag 1 kg Methan produziert wurde.

The Case for Mars schätzt, dass 82 Tonnen Methan/LOX für das ERV benötigt werden, das davon ausgeht, direkt zur Erde zu starten. Davon sind etwa 22 Tonnen (20 Tonnen) Methan. Dies ist für eine Rückkehr direkt zum Erdfahrzeug, nicht nur zur Marsumlaufbahn.

Der Gesamtleistungsbedarf kann dann berechnet werden. 20000/365=54,8 kg Kraftstoffverbrauch pro Tag. Das bedeutet durchschnittlich 38,3 kW Leistung pro Tag. Bei der gleichen Effizienz, die Adwaenyth auflistet, sind das etwa 767 m^2 Sonnenkollektoren, um den Brennstoff in einem Jahr zu produzieren. Natürlich hätte eine echte Mission mindestens 2 Jahre Zeit, um den Treibstoff herzustellen, eher 3 Jahre. Es würde auch eine gewisse Menge an Kühlung erfordern.

Der Plan von Mars Direct erfordert die Lieferung eines kleinen Kernreaktors in der Größenordnung von 80 kW, um diese Energie bereitzustellen. Es schlägt auch etwas Solarenergie für Backups und entfernte Standorte vor. Bei den geschätzten 1 Tonne/ 5 kW Solarmodulen macht das Sinn.

Eigentlich möchte ich fragen, wie dieser Reaktor beschaffen ist (z. B. Gewicht, "Fernbedienung"), aber das ist eine andere Frage, also werde ich hier nicht darauf eingehen. Basiert es auf Dampf und einer kleinen Turbine oder einem Stirlingmotor? Über Porta-Reaktoren wurde schon sehr lange nachgedacht, ich bin mir sicher, dass es gut funktionieren würde, aber ich kenne (ein bisschen) nur die Riesen-Reaktoren.
Ich weiß nur eine Schätzung von 4 Tonnen Gewicht. Darüber hinaus...
OK danke. Bei 20 W/kg rund um die Uhr könnte es für Solaranlagen schwierig werden, mitzuhalten!
Der Gedanke, den ich hatte, dass für eine Siedlung Solar vom Mars besser sein wird, aber bis dahin ist Atomkraft die bessere Wahl.
80 kW Atomkraft sind schon schwierig genug, denn der Reaktor muss irgendwie gekühlt werden ... und es ist nicht so, dass Sie so viel Kühlmittel haben wie das Wasser, das wir hier für die Reaktoren verwenden.
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