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Marte: energia sul pianeta rosso
Di Carla (del 13/12/2017 @ 09:30:00, in Scienza, linkato 1794 volte)

Se vogliamo far funzionare la nostra colonia su Marte, abbiamo prima di tutto bisogno di energia. Come possiamo ottenerla?
 
Courtesy of NASA/JPL
 
La prima e più ovvia fonte di energia è il Sole (nella foto sopra un tramonto nel Cratere Gale su Marte). La radiazione solare raggiunge costantemente la superficie di Marte e per poterla trasformare in una forma di energia sfruttabile si può far uso di una tecnologia già ampiamente utilizzata nel nostro pianeta: i pannelli fotovoltaici.
Questi pannelli sono costituiti da celle che a loro volta presentano diversi strati costituiti da una coppia di fogli di silicio, di cui uno è caricato positivamente e uno negativamente. Quando la radiazione solare li raggiunge, questa fa eccitare l’elettrone del foglio negativo, che a sua volta migra verso quello positivo. Tale fenomeno, ripetuto per tutti i singoli elettroni presenti, dà luogo a una corrente elettrica.
In pratica si verifica una trasformazione dell’energia solare in energia elettrica, che può essere immagazzinata in batterie e utilizzata per tutte le necessità del nostro insediamento sul pianeta rosso. L’efficienza della trasformazione è di circa il 20%, ma tende a crescere col migliorare di questa tecnologia. Inoltre i pannelli solari hanno una vita utile abbastanza lunga, soprattutto considerando che su Marte sarebbero sottoposti a eventi meteorologici molto più miti, cosa che li trasforma in una fonte di energia rinnovabile a lungo termine.
Ci sono però tre limiti legati all’uso dei pannelli solari.
 
Il primo, che si osserva ovviamente anche sulla Terra, è che funzionano solo durante le ore di luce (il cosiddetto dì), mentre smettono del tutto di funzionare di notte. Inoltre la loro produzione di energia non è costante, ma varia lungo l’arco della giornata, raggiungendo il massimo quando il sole è allo zenit durante il solstizio d’estate (se le condizioni meteorologiche lo consentono). La soluzione a questo problema è semplicemente quella di accumulare l’energia prodotta durante il dì in batterie, in modo da averne a disposizione in maniera costante durante tutto il sol (giorno marziano).
 
Il secondo limite, invece, riguarda proprio Marte: il pianeta rosso è più lontano dal Sole rispetto alla Terra, quindi a parità di superficie dei pannelli solari questi ricevono una quantità inferiore di energia. Per ovviare a questo problema, in realtà basterebbe installare più pannelli. Di certo su Marte non manca lo spazio per farlo. Ma significa anche avere più dispositivi cui dover fare una costante manutenzione affinché funzionino sempre al meglio.
 
E questo ci porta al terzo limite: i diavoli di polvere e le tempeste di polvere.
Sappiamo che l’atmosfera di Marte è appena l’1% in densità rispetto a quella terrestre, nonostante ciò non è del tutto esente da importanti fenomeni meteorologici. La superficie del pianeta infatti è spazzata da frequenti venti che possono ampiamente superare i 100 chilometri orari. Nonostante l’aria sia sottile, i venti sono in grado di sollevare il pulviscolo più leggero generando colonne rotanti di aria scaldata dal Sole chiamate diavoli di polvere (nella foto sotto un diavolo di polvere in azione ripreso dall’orbita di Marte, simile a quello osservato da Melissa alla fine di “Deserto rosso”). I diavoli di polvere marziani sono molto più alti rispetto agli omonimi terrestri, ma, proprio per via della presenza di un’aria sottile, non sarebbero in grado di provocare danni a un insediamento umano. Tranne quello di coprire di polvere i pannelli solari, riducendo o annullando la loro efficienza!
Anche questo problema ha una semplice soluzione, vale a dire pulire periodicamente i (numerosi) pannelli, cosa che aggiunge un ulteriore consumo di quella stessa energia che producono. Talvolta, però, può accadere il contrario: un diavolo di polvere può casualmente pulire un pannello solare, come è accaduto al rover Spirit nel 2005, ma di certo non possiamo sperare in una tale casualità.
 
Courtesy of NASA/JPL
 
Ma i venti e la polvere creano anche un problema molto più serio. Su Marte, infatti, il continuo soffiare dei venti, in particolare in certi periodi dell’anno, è in grado di dare luogo a tempeste di polvere, in grado di ricoprire ampie aree e di durare anche per mesi. Anche nel caso della tempesta di polvere non abbiamo a che fare con un evento meteorologico distruttivo. La spinta che un vento può dare anche a 150 chilometri orari su Marte è sempre un centesimo di quanto avverrebbe sulla Terra. Tant’è vero che alcune tempeste di sabbia potrebbero essere così lievi da non venire affatto percepite al livello del suolo, almeno non dall’occhio umano, ma lo sarebbero per i pannelli solari. La polvere sospesa nell’aria, infatti, può ridurre in maniera drammatica la percentuale di energia solare in grado di raggiungere la superficie dei pannelli, e ciò può andare avanti per settimane o mesi, rendendoli di fatto inutili allo scopo di produrre energia elettrica.
Per questo motivo non possiamo fare affidamento soltanto sul Sole come fonte diretta di energia.
 
Come ho appena detto, però, su Marte c’è un sacco di vento ed esso porta con sé altra energia, sfruttabile attraverso l’impiego di turbine eoliche (come quelle utilizzate nella Stazione Alfa in “Deserto rosso”). Nonostante si tratti di un’energia eolica in proporzione nettamente inferiore a quella che si può sfruttare nel nostro pianeta, la maggiore frequenza e la maggiore velocità media dei venti li rende fonte di energia alternativa da affiancare a quella solare. A ciò si aggiunge il fatto che nei diavoli di polvere la frizione tra le particelle crea delle cariche elettrostatiche e periodicamente si scaricano sotto forma di fulmine e, almeno in teoria, si potrebbe provare a intrappolare anche quell’energia.
 
Resta però da considerare il peggiore degli scenari, che è tutt’altro che raro: una lunga tempesta di polvere che blocchi la luce del Sole, ma che allo stesso tempo non sia caratterizzata da venti tanto forti e costanti da sopperire al mancato funzionamento dei pannelli solari.
Inoltre queste fonti di energia rinnovabili, oltre a essere incostanti, hanno anche a pieno regime in proporzione un’efficienza più bassa rispetto a ciò che avviene sulla Terra, pur presentando problematiche di manutenzione non trascurabili. È probabile che la necessità di energia di una futura colonia marzia diventi un incentivo per cercare di migliorare questo tipo di tecnologie o addirittura inventarne di nuove in grado di sfruttare l’energia solare ed eolica, cosa che avrebbe poi degli importanti benefici sulla Terra.
Ma, nel frattempo, se vogliamo poter disporre di un’energia costante che sia disponibile in quantità notevoli, tali da portare avanti il funzionamento di un insediamento sul pianeta e la sua espansione nel tempo, è necessario rivolgerci a una fonte più potente, più affidabile e più facilmente gestibile, anche se magari, almeno per il momento, ce la dobbiamo portare dalla Terra.
 
Courtesy of NASA/JPL
 
Prendiamo il caso del rover Curiosity (foto sopra). A differenza di Opportunity e degli altri rover (ora non più funzionanti) Spirit e Sojouner, Curiosity non ha pannelli solari, bensì è alimentato esclusivamente da un generatore termoelettrico a radioisotopi. Questo dispositivo presenta un modulo contenente un isotopo radioattivo del plutonio, che decadendo diventa una fonte di calore. Questo calore viene trasformato da un convertitore termoelettrico in energia elettrica. Un generatore di questo tipo è abbastanza piccolo e può produrre energia in maniera continua per anni. Ovviamente, se usato da esseri umani, deve essere opportunamente schermato per evitare l’esposizione a radiazioni. Ma ciò vale in pratica per qualsiasi attività si svolga su Marte, che è costantemente raggiunto da radiazioni ionizzanti, solo in piccola parte bloccate dalla sottile atmosfera. Purtroppo c’è un limite alla potenza che un generatore di questo tipo può generare, ma esso è utile per far funzionare per lunghissimo tempo singole apparecchiature con un consumo di potenza contenuto, come la sonda Voyager 1 che è stata lanciata nel 1977 e adesso che è uscita dal Sistema Solare continua a comunicare con la Terra (di recente sono stati addirittura riaccesi i suoi propulsori per compiere una breve manovra, dopo 37 anni dall’ultima volta che sono stati utilizzati).
 
Per creare, far andare avanti ed espandere una colonia sul pianeta rosso ci serve, però, molta più energia. La risposta a questa necessità è estrarla dagli atomi. Per farlo è necessario disporre la nostra colonia di piccoli reattori nucleari, cioè delle strutture opportunamente schermate in cui facilitare le reazioni nucleari in combustibili come l’uranio, il plutonio e il torio, in modo che rilascino molta più energia di quella generata dal loro lento decadimento spontaneo. Nello specifico il processo cui vanno incontro si chiama fissione, cioè la separazione in due parti del nucleo atomico. Il calore generato viene poi convertito in energia elettrica.
 
All’inizio si dovranno importare dalla Terra i combustibili nucleari, ma in un tempo successivo sarà possibile estrarli su Marte esattamente come si fa sul nostro pianeta (bisogna prima scoprire dove trovarli). Il vantaggio delle reazioni nucleari è che da piccole quantità di materia prima si possono estrarre grandi quantità di energia. Inoltre i reattori hanno una durata molto maggiore rispetto ai pannelli solari o alle turbine eoliche.
Vi consiglio la visione di questo breve video che parla di una ricerca della NASA riguardo all’utilizzo di reattori nucleari (in cui avviene la reazione di fissione) per lunghe missioni nello spazio o per la colonizzazione di altri corpi celesti, incluso Marte.
 
 
Adesso che abbiamo l’energia, possiamo procurarci l’acqua, ma per colonizzare Marte ci servono tante altre cose. La prossima della nostra lista è l’ossigeno (dovremo pur respirare!), ma di questo parlerò nel prossimo articolo.
 
Tutte le foto di Marte sono della NASA. Fate clic sulle immagini per vederle nelle dimensioni originali.

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