月球動力——應對能源挑戰的下一代技術

編譯 陳講運

未來人類對月球和更遠太空的探索將需要新的發電和儲存技術。

自上次人類登月任務已經過去近 50 年，隨著美國計劃其阿耳忒彌斯計劃在 2024 年登陸下一個男人和第一個女人，這場競賽正在迴歸。

與當月球是最終目的地時的阿波羅任務不同，這次與阿爾忒彌斯一起，它也被認為是人類探索火星的墊腳石。這反過來又提出了一系列新的人類支援挑戰，需要克服才能在太空中長期存在。

在準備過程中，有人提議在月球上的一個大本營持續存在人類。在那裡，從它在南極的預定位置，提出了一系列科學和探索活動，包括離開村莊一到兩個月的探險，以推進必要的技術以及更多地瞭解月球和宇宙在大。

除了就地資源，電力也是人類在月球上生活和未來可能在火星上建立基地的基本要求。目前正在開發許多潛在的選擇，以支援月球棲息地併為旅行車和其他操作提供動力。

垂直太陽能電池陣列

其中最先進的是可垂直部署的太陽能電池陣列概念。

現有的空間額定太陽能電池陣列結構和部署系統設計用於微重力或水平表面部署。這個新概念的垂直位置和高度旨在最大限度地提高容量並防止在太陽昇起離地平線不遠的月球極點損失。

對於山丘和斜坡等岩石地層，低角度的光線會在表面投下陰影，這會阻止水平結構的太陽能電池陣列獲得光線。高大的垂直太陽能發電結構將增加獲得不間斷光照的可能性。

垂直太陽能陣列。圖片：美國宇航局

NASA 正在與五家公司合作以完善該技術。在第一階段，這些公司——Astrobotic Technology、ATK Space Systems（Northrop Grumman）、Honeybee Robotics、Lockheed Martin 和 Space Systems Loral（Maxar Technologies）——將完成陣列的設計，這些陣列可以自主部署高達 9.5m 高並收回必要時搬遷。

此外，設計必須在陡峭的地形上保持穩定，能夠抵抗磨蝕性月球塵埃，並最大限度地減少質量和包裝體積，以幫助運送到月球表面。

在設計階段結束時，NASA 計劃選擇最多兩個設計來構建原型和進行環境測試，其中一個將在本十年結束時最終部署。

美國宇航局位於弗吉尼亞州漢普頓的蘭利研究中心領導垂直太陽能電池陣列開發的查克泰勒預計，應該在地球上實施使太陽能電池陣列在遇到月球陰影時更有效的發展。例如，家庭和企業主可以從改進的設計中受益，這些設計提高了偶爾因樹木或高大建築物而被遮蔽的屋頂太陽能電池陣列的效率。

光彎機

另一個正在開發的用於月球南極基地部署的新概念是 Light Bender，它利用鏡子和透鏡的組合來捕捉、集中和聚焦太陽光。

然後，該光由菲涅耳透鏡準直，以分配給一公里或更遠距離的多個終端使用者，在那裡使用可安裝在棲息地或資產上的小型（2-4m 直徑）光伏陣列將其轉換為電能。作為移動漫遊者。

Light Bender 概念被認為優於鐳射功率束等替代方案，因為它只將光轉換為電能一次，並且質量減少了大約 5 倍，與依賴於大量密集電纜的傳統配電架構相比。

它還可以為永久陰影區域的科學和其他資產供電。

輕型彎管機概念。圖片：NASA-Ronald Neale

最初的設計有主鏡捕獲相當於近 48 kWe 的陽光。終端使用者電力取決於與主要收集點的距離，但初步分析表明，在 1 公里範圍內至少有 9kWe 的連續電力可用。

正在進行的第一階段研究將解決影響系統性能和操作適用性的系統設計問題。重要的是光學反射鏡/透鏡設計以及這種設計如何體現在機械結構中，旨在從一個小的封裝體積中自主部署。主要的品質因數最終將是著陸質量的最小化。

下一代配電

除了這些舉措，美國宇航局的月球科學創新計劃首次資助機會選擇了三種配電技術進行調查，這些技術可用於支援月球上的活動。

由加州大學聖巴巴拉分校物理學教授 Philip Lubin 領導的 Moonbeam 專案正在開發一種緊湊的模組化“定向能量”系統，用於利用近紅外鐳射進行無線電力傳輸。潛在的應用包括在月球永久陰影區域的勘探和資源利用，其中多個漫遊車的距離超過 1 公里。