如何在月球上建立电网-- 迪族网

如何在月球上建立电网

来源：科技前沿在线--小土豆　2023-06-27 16:30:03

Astrobotic的CubeRover解开电缆来构建电网，首先将太阳能塔捆绑在一起，然后将它们连接到耗电的设备

(资料图)

早期的月球探索采用了一次性技术，旨在在为期两周的月球日光期间发挥作用，然后在同样漫长的夜晚的冰冻中灭亡。但为了维持一个殖民地，必须使一切在致命的极端中生存下来。白天，赤道的月球温度可以达到120°C。晚上气温下降到-220°C，和冥王星一样冷。没有加热器，设备就会发生故障。结构部件会变脆，并且会因这种巨大温度波动的机械应力而开裂。没有阳光，太阳能电池板变得毫无用处，它们的广阔空间只会失去热量。电池失去容量，其液体成分冻结，需要一个耗电的循环，即使用电池中的大部分电力来加热自己。

在前往月球的途中，航天器也面临着极端的温度波动，阴影的一面比阳光明媚的一面冷数百度。太阳能电池板产生的绝缘、反射和能量的组合使整个航天器在整个飞行过程中保持在可接受的温度范围内。只有在航天器着陆后，那些极具挑战性的月球夜间条件的倒计时才开始。

大多数深空任务，如旅行者号和新视野号，以及长期月球表面探测器，如阿波罗月球表面实验包（ALSEP），通过使用放射性同位素热发生器在有限的阳光下生存。这些发电机可以持续产生数十年的热量，但由于所需的高放射性燃料，它们在安全、采购和监管批准方面提出了挑战。如果太阳能能够服务于月球表面的极端情况，它将是一个更好的解决方案。

我们和Astrobotic的同事是一家成立于2007年的匹兹堡小型企业，其使命是让世界能够进入太空。该公司以其月球着陆器舰队而闻名，其中包括计划于2023年执行首次任务的Peregrine和计划于2024年将NASA的挥发性极地探测漫游车（VIPER）运送到月球南极的格里芬。现在，该公司打算通过一项服务来解决月球上的电力问题，该服务可以在阳光永远不会远离的两极收集太阳能，并将其分配到沉没在黑暗中的地方。

我们打算在月球上建造的系统，被称为LunaGrid，将由一个太阳能发电站或节点网络组成，通过传输电缆连接。该电网旨在通过机器人漫游车车队在需要的地方提供电力。Astrobotic计划最早在2026年展示第一代系统，第一个完整的LunaGrid将于2028年在月球南极投入使用。

为什么在那里？因为，通过其阿尔忒弥斯计划，美国宇航局计划在2025年将宇航员送上月球，并在2030年之前在月球南极附近建立一个永久基地。在这个地区特别令人感兴趣的是深陨石坑，其内部永久位于阴影中，因此保持相当寒冷。这些天然的冷阱是可以找到水冰的地方。这种冰可以提供水饮用，在经过电解后，可以提供氧气来呼吸。这种电解的另一种产物，氢气和氧气，有一天可能会被用来为火箭加油。阿尔忒弥斯基地必须建在这些永久阴影区域附近。仅仅探索这些陨石坑就需要比维持阿尔忒弥斯基地运营所需的更多的动力。没有一个阿波罗任务试图产生足够的能量来在月球之夜生存。这些任务都是在月球白天进行的，以便宇航员可以在温暖的阳光下工作。燃料电池而不是太阳能电池提供电力，因为1960年代和1970年代的太阳能电池具有令人望而却步的高重量功率比。但过去几十年的技术进步现在使太阳能电池板更轻。

许多小型月球机器人，如美国的ALSEP，苏联的Lunakhod探测器，以及中国最近的嫦娥着陆器，已经使用核能存活了数月或数年。他们通过使用放射性同位素加热器单元和放射性同位素热电发电机来实现这一点，该单元利用放射性直接加热物体，放射性同位素热电发电机将放射性热转化为电能。

裂变反应堆已被提议用于维持阿尔忒弥斯任务。但这项技术面临着与早期核替代方案相同的挑战：任何涉及发射放射性有效载荷的方法都必须克服相当大的安全和监管障碍才能发射。Astrobotic并没有排除核能 - 它与西屋公司合作开发裂变反应堆，用于NASA/能源部的联合合同。但为了给阿尔忒弥斯基地的早期提供动力，该公司预计NASA将采用Astrobotic的全太阳能LunaGrid。以下是我们和我们的同事如何设计它来工作。

立方体漫游车展开其太阳能电池板，然后将其转向垂直方向

LunaGrid将由固定发电站和移动充电站的模块化网络组成。固定电站将通过电缆连接。这种直接的电气连接比基于微波或激光的电力传输更可取，后者涉及效率低下，并可能对在该地区工作的宇航员造成危险。

这些电站将部署在月球南极附近，那里的阳光照射区域足够接近夜间区域，以确保至少其中一些太阳能站将始终提供电力。不远处是带有水冰的永久阴影的火山口地板。当然，LunaGrid也可以在北极工作，如果在那里建造了一个基地的话。

在地球上，太阳能电池板通常安装在水平或接近水平的表面上。在中午太阳高高升起的地方，这很有效。但在月球两极，太阳总是靠近地平线。因此，为了拦截最多的光线，需要垂直设置太阳能电池板。

这张月球图像显示了南极[底部]，这是一个太阳总是闪耀的地方，因此太阳能站总是可以从那里供电

我们计划使用的设备包含卷起的太阳能电池板，这些电池板位于漫游车底座上。这些垂直太阳能电池板一旦展开，就会到达离地面20多米的地方。移动设计允许空间站从着陆器下降到月球表面，调平自己，并移动到远处的位置，同时管理可能延伸至2公里的电力电缆。这种方法避免了宇航员或专门建造的机器人漫游车来部署这种发电设备的需要。

来自佛罗里达州杰克逊维尔的航空航天公司Redwire的推出太阳能电池阵列目前正在国际空间站上使用。固定发电站将采用美国宇航局肯尼迪航天中心的电动太阳能电池盖，产生一种力，防止灰尘颗粒沉积在面板上。为了转换来自各个站点的电力，以便将其馈入电网，该系统使用NASA格伦研究中心开发的功率处理电子设备。

这些电站不能自己做的是将电力分配到与该电网分开的位置。这是使用称为CubeRovers的小型机器人车辆完成的，这些机器人车辆充当LunaGrid系统的灵活之手。这些轻型模块化机器人的重量从公斤到公斤不等。每个都可以携带大约一半的质量的额外有效载荷，并且可以在一个月球日内穿越几公里。这对于太空漫游车技术来说很快;相比之下，火星探测器勇气号在10多个地球日中行驶了不到2公里。CubeRover将使用电缆将附近（约000米内）的耗电设备连接到电网。

当每个垂直太阳能电池阵列移动到所需目的地时，一个立方体漫游车将保持连接，然后连接任何需要电力的东西。可以把它想象成一根机器人延长线。CubeRover将在需要电力的区域的任何地方提供短距离无线充电。例如，NASA原位资源利用挖掘机可以通过CubeRover在阴影挖掘现场充电，而不必投入时间和精力返回发电节点或带有太阳能电池板的着陆器。

将发电站连接在一起的传输电缆必须能够延伸至少几公里，并且可以使用数年。主要挑战之一是当电缆被拖过月球风化层（月球表面的砂砾）时电缆的磨损。与陆地土壤不同，它没有风化成光滑的圆形颗粒。相反，它类似于精细破碎的玻璃 - 锋利到足以撕碎宇航员靴子的层或破坏样品容器的真空密封。而且，由于尘埃也被从太阳流入的离子静电带电，它往往会粘在宇航服上，潜入着陆器内部并堵塞设备。

另一个问题是如何将电力传输到需要它的设备。机械配接的电气连接，就像您经常插入墙壁的连接一样，往往会被灰尘堵塞。此外，插入东西需要灵巧性，这对于机器人和穿着宇航服的人来说都很难实现。因此，Astrobotic使用WiBotic，Bosch和华盛顿大学开发的技术设计了一种无线充电器。它不需要完美的对齐 - 只需要接近。更具体地说，无线充电器和接收器线圈可以相隔 4 厘米，角度偏移高达 40 度。

2026年，当第一个LunaGrid节点降落在月球南极附近时，一个移动发电站将从Astrobotic着陆器中出现，下降到地面，并行驶到2公里外，绕出一条电力传输电缆。然后，该站将展开其垂直太阳能电池阵列，形成LunaGrid的第二个节点。两个节点都将产生太阳能，可以在这两个站点之间传输或通过配备无线充电器的CubeRover发送到该地区的其他设备。

到2028年，具有类似设备的其他任务将使用类似的输电电缆将连接到前两个站点的更多节点，形成一个成熟的电网，可以立即为阿尔忒弥斯月球基地或其他设备提供服务。

由于LunaGrid采用垂直太阳能电池阵列，因此它可以用于太阳高于地平线的高度较低的任何地方，例如大多数其他卫星或行星的两极。LunaGrid还可以在低纬度地区使用水平或倾斜的太阳能电池阵列。当然，对于离太阳较远的卫星或行星，阵列需要更大或有更多的节点，但原则上，太阳能可以为太空探索提供合适的动力来源，即使离太阳很远。

想象一下，现在是2040年，在月球上工作对机器人和人类来说都是例行公事。也许研究村会存在，就像南极洲的那些一样。每一个新的月球任务，每一个新的企业，都可以插入一个不断扩大的电网，为科学仪器、深空运载火箭的建造以及生产它们所需的燃料提供动力。

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