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如何在月球上建立电网?

时间:2023-08-28   访问量:106

早期的登月尝试采用了一次性技术,这些技术旨在在两周的月球白天期间发挥作用,然后在同样漫长的夜晚的冰冻中消失。但为了维持一个殖民地,一切都必须能够在死亡的极端条件下生存。白天,月球赤道处的温度可达120°C。夜间气温降至-220°C,与冥王星一样冷。如果没有加热器,设备就会损坏。结构部件会变脆,并可能因这种巨大的温度波动的机械应力而破裂。没有阳光,太阳能电池板就变得毫无用处,其广阔的面积只会散失热量。电池会失去容量,其液体成分会冻结,需要一个耗电的循环,使用电池中的大部分电力来加热自己。

在飞往月球的途中,航天器还面临着极端的温度波动,阴影面比阳光面低数百度。隔热、反射和太阳能电池板产生的能量相结合,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才开始倒计时。

大多数深空任务,如航行者号和新视野号,以及长期月球表面探测器,如阿波罗月球表面实验包(ALSEP),都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热量数十年,但由于所需的高放射性燃料,它们带来了安全、采购和监管审批方面的挑战。如果太阳能能够服务于月球表面的极端情况,那么它将是一个更好的解决方案。


Astrobotic是一家位于匹兹堡的小型企业,成立于 2007 年,我们和我们的同事肩负着让世界进入太空的使命。该公司以其月球着陆器舰队而闻名,其中包括计划于 2023 年首次执行任务的 Peregrine 和计划于 2024 年将 NASA 的挥发物调查极地探索车 ( VIPER ) 运送到月球南极的 Griffin 。该公司打算通过一项服务来解决月球上的电力问题,该服务可以在阳光不远的两极收集太阳能,并将其分配到黑暗的地方。

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

为什么在那里?因为,通过其阿耳忒弥斯计划,美国宇航局计划于 2025 年将宇航员送上月球,并于 2030 年在月球南极附近建立一个永久基地。该地区特别令人感兴趣的是深坑,其内部永久处于阴影中,因此保持相当寒冷的。这些天然冷阱是可以找到水冰的地方。这些冰可以提供饮用水,经过电解后可以提供呼吸所需的氧气。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。阿耳忒弥斯基地必须建在靠近这些永久阴影区域的地方。仅仅探索这些陨石坑就需要比维持阿耳忒弥斯基地运作所需的电力多得多的电力。阿波罗任务中没有一次试图产生足够的电力来度过月球之夜。这些任务都是在农历白天进行,以便宇航员可以在温暖的阳光下工作。提供电力的是燃料电池,而不是太阳能电池,因为 20 世纪 60 年代和 1970 年代的太阳能电池具有极高的重量功率比。但过去几十年的技术进步现在使太阳能电池板变得更轻。

许多小型月球机器人,例如美国的ALSEP、苏联的月球车以及中国最近的嫦娥着陆器,都使用核动力存活了数月或数年。他们通过使用放射性同位素加热器装置(利用放射性直接加热物体)和放射性同位素热电发电机(将放射性热转化为电能)来实现这一目标。

已提议使用裂变反应堆来维持阿耳忒弥斯任务。但这项技术面临着与早期核替代品相同的挑战: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 并未排除核能——它已与西屋公司合作,为美国宇航局/能源部联合合同开发裂变反应堆。但为了为阿耳忒弥斯基地的早期供电,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的工作方式。

月球电网

LunaGrid 将由固定发电站和移动充电站的模块化网络组成。固定发电站将通过电缆连接。这种直接电气连接比基于微波或激光的电力传输更可取,后者效率低下,并且可能给在该地区工作的宇航员带来潜在危险。

这些太阳能站将部署在月球南极附近,那里的阳光照射区域距离夜间区域足够近,以确保至少其中一些太阳能站能够始终提供电力。不远处是永久阴影的火山口底部,上面有水冰。当然,如果北极有基地的话,LunaGrid 也可以在北极工作。

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。当正午太阳高高升起时,这种方法效果很好。但在月球两极,太阳始终保持在地平线附近。因此为了拦截最多的光线,太阳能电池板需要垂直设置。

我们计划使用的设备包含位于流动站底座顶部的卷起的太阳能电池板。这些垂直的太阳能电池板一旦展开,就会达到距地面 20 多米的高度。移动设计允许空间站从着陆器下降到月球表面、自行调平并移动到远处位置,同时管理可能长达 2 公里的电力电缆。这种方法不需要宇航员或专用机器人漫游车来部署这种发电设备。

位于佛罗里达州杰克逊维尔的Redwire航空航天公司推出的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,该盖可产生防止灰尘颗粒沉积在面板上的力。为了转换各个电站的电力以便将其馈入电网,该系统使用了美国宇航局格伦研究中心开发的电力处理电子设备。

这些电站本身无法将电力分配到与该电网分离的位置。这是通过名为 CubeRovers 的小型机器人车辆完成的,它充当 LunaGrid 系统的灵活之手。这些轻型模块化机器人的重量范围为 4.6 至 10.6 公斤。每颗卫星都可以携带大约一半质量的额外有效载荷,并且可以在一个农历日内行驶数公里。这对于太空漫游技术来说是很快的。相比之下,精神号火星车在 2000 多个地球日内行驶了不到 10 公里。CubeRovers 将使用电缆将附近(约 100 米内)的耗电设备连接到电网。

当 CubeRover 移动到所需目的地时,它将与每个垂直太阳能电池阵列保持连接,然后连接到任何需要电力的地方。将其视为机器人延长线。CubeRover 将在任何需要电力的地方提供短距离无线充电。例如,NASA现场资源利用挖掘机可以通过 CubeRover 在阴影挖掘地点充电,而不必花费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持续使用数年。主要挑战之一是电缆在月球风化层(月球表面的砂砾)上拖动时的磨损。与陆地土壤不同,它没有被风化成光滑的圆形颗粒。相反,它类似于细碎的玻璃——锋利到足以撕碎宇航员的靴子层或破坏样品容器的真空密封。而且,由于灰尘也会被从太阳流入的离子带上静电,因此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。机械配合的电气连接(例如您通常插入墙壁的电气连接)往往会被灰尘堵塞。此外,插入东西需要灵活性,这对于机器人和穿着宇航服的人来说都很难实现。因此,Astrobotic 采用WiBotic、博世和华盛顿大学开发的技术设计了一款无线充电器。它不需要完美的对齐——只需接近即可。更具体地说,无线充电器和接收器线圈的工作距离最多可达 4 厘米,角度偏移最大可达 40 度。

为行星提供动力

2026 年,当第一个 LunaGrid 节点在月球南极附近着陆时,一个移动发电站将从 Astrobotic 着陆器中出现,下降到月球表面,行驶最远 2 公里远,同时卷出一根电力传输电缆。去。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,可以在这两个站之间传输或通过配备无线充电器的 CubeRovers 发送到该地区的其他设备。

到 2028 年,具有类似设备的更多任务将使用类似的电力传输电缆将这两个站连接到更多节点,形成一个成熟的电网,可以立即为阿耳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,因此它可以在太阳距地平线高度较低的地方使用,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,对于距离太阳较远的卫星或行星,阵列需要更大或有更多节点,但原则上,即使距离太阳很远,太阳能也可以为太空探索提供合适的能源。

想象一下,现在是 2040 年,月球工作对于机器人和人类来说都是例行公事。也许研究村将会存在,就像南极洲的研究村一样。每个新的登月任务、每个新企业都可以接入不断扩大的电网,为科学仪器、深空运载火箭的建造以及所需燃料的生产提供电力。


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