Simulation of an Airborne Wind Energy System in the Atmosphere of Mars

Abstract

Bisher basiert die Stromerzeugung bei Weltraummissionen häufig auf Solarpaneelen, die Sonnenenergie nutzen. Da jedoch der nächste Nachbar der Erde, der Mars, Staubstürme erlebt, die bis zu Monate andauern, verringert sich die Intensität der Sonnenstrahlung auf der Marsoberfläche erheblich (Schorbach und Weiland, 2022). Der Energiebedarf einer bemannten Mission zum Roten Planeten kann daher nicht allein auf Solarenergie basieren. Daher wird der Einsatz eines luftgestützten Windenergiesystems in Betracht gezogen, das die allgemein höheren Windgeschwindigkeiten der Marsatmosphäre nutzt. Während der theoretische Einsatz eines solchen Systems bereits diskutiert wurde, wurde eine Simulation der Flugbahn eines Drachens unter den atmosphärischen Bedingungen des Mars noch nicht vorgestellt. Durch die Untersuchung der Windbedingungen an potenziellen Landeplätzen für zukünftige bemannte Missionen mithilfe der Martian Climate Database (MCD) (F. Forget, E. Millour, T. Pierron, M. Vals and V. Zakharov (LMD), and the MCD team) werden die Windgeschwindigkeit und die atmosphärische Dichte für einen Anwendungsfall ermittelt. In dieser Arbeit werden die Abmessungen eines Referenz-Kites mithilfe einer von Gaunaa et al., 2024 abgeleiteten Skalierungsmethode an die Atmosphäre des Mars angepasst. Der skalierte Kite wird dann in LAKSA, einem Lagrange-Drachensimulator, implementiert, um eine potenzielle Flugbahn für die Leistungserzeugung zu analysieren. Mit Hilfe einer simulierten Flugbahn, die nicht für eine repräsentative Ausrollphase geeignet ist, wird die theoretische Leistungsabgabe des Kites berechnet.

So far, power generation of space missions has always been based on solar panels harnessing solar energy. However, Earth’s closest neighbour Mars, is located further from the sun than Earth and experiences dust storms lasting up to months, resulting in a significantly reduced intensity of solar radiation on the Martian surface (Schorbach and Weiland, 2022). Thus, energy requirements of a manned mission to the Red Planet cannot solely be based on solar energy. Therefore, the use of an airborne wind energy system is considered, utilising the generally higher wind speeds the Martian atmosphere exhibits. While the theoretical deployment of such a system has already been discussed (Schmehl et al., 2024; Gaunaa et al., 2024), a simulation of a flight path in the Martian atmospheric conditions has not been presented yet. By investigating the wind conditions at potential landing sites for future manned-missions using the Martian Climate Database (MCD), the wind speed and atmospheric density for a use-case are derived (A. Spiga (LMD) and Web interface updated by T. Pierron (LMD) and A. Bierjon (LMD)). In this thesis the dimensions of a reference kite are adjusted to the atmosphere of Mars utilizing a scaling method derived from (Gaunaa et al., 2024). The scaled kite is then implemented into LAKSA, a Lagrangian Kite Simulator, to analyse a potential figure-of-eight generated for the reeling out during power generation. With a trajectory simulated that is not suitable for a representative reel-out phase, the theoretical power output of the kite is calculated.