Entwicklung eines erneuerbaren Energiekonzeptes für eine bemannte Marsmission

Abstract

Diese Masterthesis beschäftigt sich mit der Konzeption eines erneuerbaren Energiekonzeptes für eine bemannte Marsmission. Zur Konzeptionierung wird eine EXCEL-Datei entwickelt und vorgestellt. Diese EXCEL-Datei wird schließlich verwendet um drei Szenarien für eine bemannte Marsmission von einer Dauer von 500 Sol und einem Leistungsbedarf von 80 kW zu erstellen und miteinander zu vergleichen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse der Szenarien dem bisherigen Konzept der NASA, die Marsmission mittels Kernkraft zu versorgen, gegenübergestellt. Basis der einzelnen Szenarien sind ein Energiekonzept bestehend aus Photovoltaik und Lithium-Ionen-Speicher sowie ein Energiekonzept bestehend Photovoltaik und Brennstoffzellensystem inklusive Wasserstoffspeicher. Durch die Parametervariation wird ein Worst-Case, ein Real-Case und ein Best-Case Szenario dargestellt. In allen drei Szenarien liegen im Optimum sowohl die Gewichte wie auch die Kosten beider erneuerbaren Systeme unterhalb der Werte des nuklearen Systems. Dieses Optimum wird in allen Szenarien dann erreicht, wenn die Solarfläche so groß ist, dass der jeweilige Speicher nur für die nächtliche Energieversorgung zur Verfügung stehen muss, da dieser dann über die geringste Kapazität verfügt. Dadurch lassen sich je nach Speicherart und Szenario Systemgewichte zwischen 3,5 Tonnen und 21,7 Tonnen erreichen, wodurch die Nachhaltigen Energiesysteme im Vergleich zum nuklearem Energiesystem mit 28 Tonnen deutlich geringer ist. Auch die Kosten für die erneuerbaren Konzepte liegen zwischen 5,4 Mrd. $ und 95 Millionen $ und liegen auch damit deutlich unter den Kosten für das nukleare System, welche zwischen 7,7 Mrd. $ und 2,6 Mrd. $ liegen. Die leichtere und günstigere Variante ist das Energiekonzept mit Brennstoffzellentechnologie als Energiespeicher. Unter den im Rahmen dieser Arbeit getroffenen Annahmen ist ein erneuerbares Energiekonzept für eine bemannte Marsmission eine gute Alternative für das nukleare Energiesystem, da im Vergleich zum nuklearen System nicht nur Gewicht, sondern auch Kosten eingespart werden können. Im Weiteren muss noch geprüft werden, ob die technische Umsetzung eines solchen Energiekonzeptes mit einer Solarfläche von bis zu 4.900 Quadratmetern möglich ist.

This master thesis deals with the conceptual design of a renewable energy system for a manned Mars mission. For the conceptual design an EXCEL file is developed and submitted. This EXCEL file is used to create and compare three possible scenarios for a manned Mars mission with a duration of 500 Sol and a power requirement of 80 kW. In addition, the results of the scenarios are compared to NASA's previous concept of using nuclear power to provide power for the Mars mission. The individual scenarios are based on an energy concept consisting of photovoltaics and lithiumion storage as well as an energy concept based on photovoltaics and a fuel cell system including hydrogen storage. By varying the parameters, a worst-case, a real-case and a best-case scenario are generated. In all three scenarios, the weights as well as the costs of both renewable systems are below the values of the nuclear system in the optimum. This optimum is reached in all scenarios when the solar area is large enough so that the respective storage facility only needs to be available for the nighttime energy source, since it then has the lowest capacity. As a result, system weights between 3.5 tons and 21.7 tons can be achieved, depending on the storage type and scenario. As a consequence, the developed sustainable energy systems are significantly lower compared to the nuclear energy system with 28 tons. Also, the cost of the renewable concepts ranges from $5.4 billion to $95 million, which is significantly lower than the cost of the nuclear system, which ranges from $7.7 billion to $2.6 billion. The lighter and cheaper option is the energy concept with fuel cell technology as energy storage. Under the assumptions made in this thesis, a renewable energy concept for a manned Mars mission is a good alternative for the nuclear energy system. This can be justified with a lower weight and cost saving. Furthermore, it still has to be examined whether the technical implementation of such an energy concept with a solar surface of up to 4900 square meters is possible.