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早期的探月活動(dòng)采用的是一次性技術(shù)，它的設(shè)計(jì)初衷是在兩周的月球白晝期間運(yùn)行，然后湮沒(méi)在漫長(zhǎng)寒冷冰凍的夜晚。為了維持基地的運(yùn)行，所有設(shè)備都必須能夠承受極端條件。白天，月球赤道上的溫度可達(dá)120℃；夜晚，溫度會(huì)降到-220℃，和冥王星一樣冷。沒(méi)有加熱器，設(shè)備就會(huì)損壞，巨大的溫度變化產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，會(huì)使結(jié)構(gòu)部件變得易碎和破裂。沒(méi)有陽(yáng)光，太陽(yáng)能板就變得毫無(wú)用處，寬闊的面板只會(huì)更快地散失熱量。電池容量降低，其液體成分會(huì)凍結(jié)，并進(jìn)入一個(gè)耗電周期，將電池的大部分能量用于給自身加熱。
在前往月球的途中，航天器也面臨著極端的溫度變化，陰影面的溫度比陽(yáng)光面低數(shù)百攝氏度。將隔熱、反射和太陽(yáng)能板產(chǎn)生的能量相結(jié)合，整個(gè)航天器在飛行過(guò)程中可以保持在可接受的溫度范圍內(nèi)。只有在航天器著陸后，面臨月球上那些非常具有挑戰(zhàn)性的夜間條件，才開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。
為了維持在有限的陽(yáng)光條件下連續(xù)工作，“旅行者號(hào)”和“新視野號(hào)”等大多數(shù)深空任務(wù)，以及“阿波羅月球表面實(shí)驗(yàn)組合項(xiàng)目”（ALSEP）等月球表面長(zhǎng)期探測(cè)器，均使用放射性同位素?zé)岚l(fā)電機(jī)，這些發(fā)電機(jī)可以持續(xù)工作數(shù)十年，但由于需要高放射性燃料，它們面臨安全性、尋求貨源和監(jiān)管審批方面的挑戰(zhàn)。如果能在月球表面的極端環(huán)境下使用，太陽(yáng)能將是一個(gè)更好的方案。
我們和宇航機(jī)器人公司Astrobotic的同事致力于讓全世界都能進(jìn)入太空。Astrobotic是一家總部位于匹茲堡的小企業(yè)，成立于2007年，公司最著名的是其月球著陸器，例如，定于2023年首次執(zhí)行飛行任務(wù)的“游隼號(hào)”，以及計(jì)劃于2024年將美國(guó)國(guó)家航空航天局的“揮發(fā)性物質(zhì)調(diào)查極地探險(xiǎn)月球車(chē)”（VIPER）運(yùn)送到月球南極的“格里芬號(hào)”。現(xiàn)在，Astrobotic公司打算解決月球上的電力問(wèn)題，通過(guò)一項(xiàng)公共服務(wù)在終年陽(yáng)光照耀的月球兩極收集太陽(yáng)能，再將其分配給沒(méi)有陽(yáng)光的黑暗地方。
為什么要選在那里呢？因?yàn)槊绹?guó)國(guó)家航空航天局計(jì)劃通過(guò)其阿爾忒彌斯項(xiàng)目在2025年將宇航員送上月球，并于2030年前在月球南極附近建立一個(gè)永久基地。這個(gè)地區(qū)特別令人感興趣的是深隕石坑，其內(nèi)部永遠(yuǎn)處于陰影中，一直非常寒冷。在這些天然冷阱中可以找到水冰。這些水冰可以提供飲用水，并在電解后提供氧氣用于呼吸的。電解的另一種產(chǎn)物——?dú)?，可能有一天?huì)與氧結(jié)合，用來(lái)給火箭補(bǔ)充燃料。阿爾忒彌斯基地必須建在靠近這種永久陰影區(qū)的地方。僅是探索這些隕石坑需要的電力就比維持阿爾忒彌斯基地運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電力還要多。到目前為止，沒(méi)有一項(xiàng)阿波羅任務(wù)曾試圖產(chǎn)生足夠的電力，以便在月球上的黑夜完成任務(wù)；這些任務(wù)都是在月球白天進(jìn)行的，宇航員可以在溫暖的陽(yáng)光下工作。提供電力的是燃料電池，而不是太陽(yáng)能電池，因?yàn)樵?0世紀(jì)六七十年代，太陽(yáng)能電池的重量功率比極高。得益于近幾十年的科技進(jìn)步，太陽(yáng)能電池板的重量已經(jīng)大大減輕了。
許多小型月球機(jī)器人，如美國(guó)的ALSEP、蘇聯(lián)的Lunakhod月球車(chē)和中國(guó)最近發(fā)射的“嫦娥”探測(cè)器的著陸器都利用核能維持了數(shù)月或數(shù)年的運(yùn)行。這些機(jī)器人使用放射性同位素加熱器來(lái)直接加熱物體，用放射性同位素?zé)岚l(fā)電機(jī)將放射性熱能轉(zhuǎn)化為電能。
有人提議用裂變反應(yīng)堆來(lái)支持阿爾忒彌斯任務(wù)，但這項(xiàng)技術(shù)面臨著與早期核電方案相同的挑戰(zhàn)：任何涉及發(fā)射放射性有效載荷的方法都必須克服相當(dāng)大的安全性和監(jiān)管障礙。Astrobotic公司沒(méi)有排除利用核能，公司已經(jīng)在與西屋公司合作，為美國(guó)國(guó)家航空航天局/能源部聯(lián)合開(kāi)發(fā)裂變反應(yīng)堆。但對(duì)于阿爾忒彌斯基地早期的供電，Astrobotic預(yù)計(jì)美國(guó)國(guó)家航空航天局將采用其全太陽(yáng)能供電的LunaGrid。以下是我們和同事設(shè)計(jì)的LunaGrid的原理。
LunaGrid由固定電站和移動(dòng)充電站的模塊化網(wǎng)絡(luò)組成。固定電站通過(guò)電纜連接在一起。這種直接連接比基于微波或激光的電力傳輸更可取，后者效率低，并可能會(huì)對(duì)在該區(qū)域工作的宇航員造成潛在的危險(xiǎn)。
這些電站將部署在月球南極附近，那里的陽(yáng)光照射區(qū)域非?？拷归g區(qū)域，可以確保至少有一些太陽(yáng)能電站始終提供電力。不遠(yuǎn)處便是永久陰暗，其隕石坑底部蘊(yùn)藏著水冰。當(dāng)然，如果月球北極有基地的話，LunaGrid也可以在那里工作。
在地球上，太陽(yáng)能電池板通常安裝在水平或接近水平的地面上。在正午太陽(yáng)高懸的地方，這種方法很好。但是在月球兩極，太陽(yáng)總是靠近地平線。因此，為了更多地?cái)r截陽(yáng)光，太陽(yáng)能電池板需要垂直安裝。
我們計(jì)劃使用的設(shè)備包括豎立在月球車(chē)基座頂部的折疊太陽(yáng)能電池板。這些垂直太陽(yáng)能電池板展開(kāi)后，可高出地面20米以上。移動(dòng)式設(shè)計(jì)可使這些電站從著陸器降落到月球表面，自我調(diào)平并移動(dòng)到遠(yuǎn)處的位置，同時(shí)可管理長(zhǎng)達(dá)2千米的電力電纜。這種發(fā)電設(shè)備不需要宇航員或?qū)ｉT(mén)的機(jī)器人部署。
可展開(kāi)的太陽(yáng)能電池陣列來(lái)自位于佛羅里達(dá)州杰克遜維爾的Redwire航天公司，目前正在國(guó)際空間站使用。固定發(fā)電站將采用美國(guó)國(guó)家航空航天局肯尼迪航天中心的電動(dòng)太陽(yáng)能電池蓋，它可以產(chǎn)生一種力，防止灰塵顆粒沉積在電池板上。為了方便單個(gè)電站的電力轉(zhuǎn)換饋入電網(wǎng)，系統(tǒng)使用美國(guó)國(guó)家航空航天局格倫研究中心開(kāi)發(fā)的電力處理設(shè)備。
電站無(wú)法將電力分配到與電網(wǎng)分離的地方，這需要CubeRover小型機(jī)器人車(chē)來(lái)完成。作為L(zhǎng)unaGrid系統(tǒng)的靈巧之手，這些輕型模塊化機(jī)器人的重量從4.6千克到10.6千克不等，每一個(gè)都可以攜帶大約有其質(zhì)量一半的額外有效載荷，它可以在一個(gè)月球日內(nèi)穿越幾千米。對(duì)太空漫游技術(shù)來(lái)說(shuō)，這樣的速度已經(jīng)很快了；相比之下，“勇氣號(hào)”火星探測(cè)器在2000多個(gè)地球日中行駛不到10千米。CubeRovers使用電纜，將附近（約100米內(nèi)）的用電設(shè)備接入電網(wǎng)。
在向預(yù)期目的地移動(dòng)的過(guò)程中，CubeRover將與垂直太陽(yáng)能電池陣列保持連接，然后連接任何需要電源的設(shè)備。我們可以把它想象成一個(gè)機(jī)器人延長(zhǎng)線。CubeRover可在任何需要電力的地方提供短程無(wú)線充電。例如，美國(guó)國(guó)家航空航天局的“就地資源利用挖掘機(jī)”可以通過(guò)CubeRover在陰影處的挖掘現(xiàn)場(chǎng)充電，而不用花費(fèi)時(shí)間和能量返回到發(fā)電節(jié)點(diǎn)或帶有太陽(yáng)能電池板的著陸器。
將發(fā)電站連接在一起的傳輸電纜必須能夠延伸至少幾千米，并且能使用數(shù)年。目前面臨的一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)是電纜在月壤（月球表面的砂礫）上拖動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磨損。與地球土壤不同，月壤沒(méi)有被風(fēng)化成光滑的圓形顆粒，而是類似于細(xì)碎的玻璃，非常鋒利，可穿透宇航員的多層靴子，或者破壞樣本容器的真空密封。此外，因?yàn)閬?lái)自太陽(yáng)的離子流，塵埃也會(huì)帶靜電，它會(huì)粘在宇航服上，溜進(jìn)著陸器堵塞設(shè)備。
另一個(gè)問(wèn)題是如何將電力傳送到需要它的設(shè)備。機(jī)械匹配的電氣接頭就像日常接入墻上的插座，會(huì)被灰塵堵塞。而且，接入插座需要靈巧性，這對(duì)于機(jī)器人和穿著宇航服的宇航員來(lái)說(shuō)都很難實(shí)現(xiàn)。因此，Astrobotic利用WiBotic、博世和華盛頓大學(xué)開(kāi)發(fā)的技術(shù)設(shè)計(jì)了一款無(wú)線充電器。它不需要完全地對(duì)準(zhǔn)，只需要接近即可充電。更具體地說(shuō)，無(wú)線充電器和接收器線圈工作可距離4厘米遠(yuǎn)，角度偏移可達(dá)40度。
2026年，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)LunaGrid節(jié)點(diǎn)在月球南極附近著陸時(shí)，Astrobotic著陸器中將出現(xiàn)一臺(tái)移動(dòng)電站，降落到月球表面，最遠(yuǎn)行駛到2千米以外的地方，同時(shí)沿途放置輸電電纜。接下來(lái)，這臺(tái)電站將展開(kāi)它的垂直太陽(yáng)能電池陣列，形成LunaGrid的第二個(gè)節(jié)點(diǎn)。這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都能利用太陽(yáng)能發(fā)電，電力可以相互傳輸，或通過(guò)配備無(wú)線充電器的CubeRover傳送給區(qū)域內(nèi)的其他設(shè)備。
到2028年，其他任務(wù)將搭載類似設(shè)備，使用類似的電力傳輸電纜，將這兩個(gè)電站與更多節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，形成一個(gè)成熟的電網(wǎng)，可立即為阿爾忒彌斯月球基地或其他設(shè)備供電。
LunaGrid采用垂直太陽(yáng)能電池陣列，可用于太陽(yáng)高出地平線較低的任何地方，如大多數(shù)衛(wèi)星或行星的兩極。LunaGrid還可以在低緯度地區(qū)使用水平或傾斜的太陽(yáng)能電池陣列。衛(wèi)星或行星離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，需要的太陽(yáng)能陣列越大、節(jié)點(diǎn)越多，但原則上，太陽(yáng)能可為太空探索提供適用的電源，即使是在離太陽(yáng)很遠(yuǎn)的地方。
假設(shè)現(xiàn)在是2040年，在月球上工作對(duì)機(jī)器人和人類來(lái)說(shuō)都已成為日常。也許會(huì)出現(xiàn)研究村，就像南極洲的科考營(yíng)地一樣。每一次新的月球任務(wù)，每一家新的企業(yè)，都可以接入不斷擴(kuò)大的電網(wǎng)，為運(yùn)行科學(xué)儀器、建造深空運(yùn)載火箭以及生產(chǎn)所需的燃料提供電力。
