【智科院導(dǎo)讀】：未來(lái)的月球基地將需要為采礦和宇航員生存提供動(dòng)力。

上次在月球上待的時(shí)間太短了。這是目前為止，人類一個(gè)永恒的遺憾。

下次人類登陸月球時(shí)，他們打算停留一段時(shí)間。對(duì)于阿特米斯(Artemis)計(jì)劃，美國(guó)宇航局及其合作者希望在月球上建立一個(gè)持續(xù)的存在，這包括建立一個(gè)可以讓宇航員生活和工作的基地。

一個(gè)正常運(yùn)作的月球基地的關(guān)鍵因素之一是電力供應(yīng)。在美國(guó)的桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)專門為軍事基地建造微電網(wǎng)的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，正在與美國(guó)宇航局合作，設(shè)計(jì)一個(gè)可以在月球上使用的微電網(wǎng)。

月球基地有望成為人類冒險(xiǎn)進(jìn)入更遠(yuǎn)的太空的技術(shù)試驗(yàn)場(chǎng)。比如說(shuō)航行到火星。因此，電網(wǎng)將不僅僅是保持燈光和空氣流通，還將支持采礦和燃料加工設(shè)施，這些設(shè)施將同時(shí)工作以減少來(lái)自地球的供應(yīng)需求。

當(dāng)然，為月球基地設(shè)計(jì)一個(gè)微電網(wǎng)與為地球上使用的類似設(shè)置之間有一些區(qū)別。值得注意的是，它將需要維持宇航員的生命，而不僅僅是支持傳統(tǒng)的家庭負(fù)荷，桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的電氣工程師這樣表示。為此，能源儲(chǔ)存和電源管理將是至關(guān)重要的。

月球棲息地將包括一個(gè)生活單元以及一個(gè)采礦和加工中心，它將生產(chǎn)水、氧氣、火箭燃料等。因此，桑迪亞的工程師們正在研究?jī)蓚€(gè)直流微電網(wǎng)，用一條連接線將它們連接起來(lái)。

桑迪亞的另一位電氣工程師李·拉什金(Lee Rashkin)說(shuō)，他們正在努力確定連接線的參數(shù)。他說(shuō)：”我們正在考慮電壓要比兩個(gè)負(fù)荷中心高一點(diǎn)，因?yàn)樗仨氃趦蓚€(gè)負(fù)荷點(diǎn)之間跨越幾公里“。他補(bǔ)充說(shuō)，”在更高的電壓下推送電力會(huì)更容易，因?yàn)樗枰俚碾娏鳎怪菀滓稽c(diǎn)。“

拉什金說(shuō)，居住單元的大小將與國(guó)際空間站差不多，采礦和加工中心則稍大一些，它們之間的距離約為10公里。雖然這兩個(gè)系統(tǒng)將被設(shè)計(jì)為自給自足，但 “連接線的存在主要是為了實(shí)現(xiàn)冗余。拉什金說(shuō)：”如果棲息地的一個(gè)光伏發(fā)電機(jī)發(fā)生意外，它可以輸入電力來(lái)維持這些負(fù)載，這對(duì)維持人們的生命至關(guān)重要。

另外一個(gè)研究人員補(bǔ)充說(shuō)，每個(gè)系統(tǒng)也將有自己的冗余、改線和重新配置能力。因此，如果月球棲息地的某條線路是為關(guān)鍵負(fù)載服務(wù)的，而這條線路發(fā)生故障，就有機(jī)制來(lái)重新分配電力，以便從一個(gè)來(lái)源接收。

由于計(jì)劃中的月球基地的部分將分布在月球表面，工程師們還預(yù)計(jì)將有大量的電力電子設(shè)備和分布式能源資源。拉什金說(shuō)：”電力電子技術(shù)本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)齒輪箱。”就像齒輪箱從一個(gè)速度和扭矩值轉(zhuǎn)換到另一個(gè)速度和扭矩值一樣，電力電子技術(shù)可以從一個(gè)功率和電壓水平轉(zhuǎn)換到另一個(gè)。” 這些電力電子轉(zhuǎn)換器將是管理電池或太陽(yáng)能電池板和主總線之間電力的關(guān)鍵。

因此，毫無(wú)疑問(wèn)，這些主要能源將是太陽(yáng)能，并以電池作為補(bǔ)充。與地球不同，月球上沒(méi)有云層遮擋，這意味著月球表面接受更多的直接陽(yáng)光。拉什金認(rèn)為這在某些方面是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但他們必須考慮到月球的夜晚，大約是兩個(gè)地球星期的時(shí)間。

有一些儲(chǔ)能選擇，這取決于他們想要什么樣的電池材料或化學(xué)成分。但是研究人員的想法是，當(dāng)有更多的太陽(yáng)能發(fā)電和負(fù)載需求時(shí)，太陽(yáng)能電池板將為電池充電，研究人員正在做的部分工作是定義管理控制，確保電池不會(huì)完全耗盡，并確保太陽(yáng)能電池板的發(fā)電、負(fù)載的消耗和電池的充放電之間有協(xié)同作用。

為了做到這一點(diǎn)，工程師們擁有基于時(shí)間尺度的控制裝置。從以亞毫秒速度運(yùn)行的裝置到以天為單位的裝置，規(guī)劃出任何時(shí)候需要的充電狀態(tài)。拉什金補(bǔ)充說(shuō)：”對(duì)后一種控制水平的限制之一是，儲(chǔ)能需要在太陽(yáng)消失時(shí)完全充電?！?/p>

所有的測(cè)試和調(diào)整將在美國(guó)新墨西哥州的阿爾伯克基的桑迪亞安全可擴(kuò)展微電網(wǎng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。阿爾伯克基說(shuō)：”我們有為月球基地計(jì)劃的所有規(guī)格的模擬能力。該測(cè)試平臺(tái)可用于建立一個(gè)按比例縮小的月球微電網(wǎng)的代表，并用于研究電力系統(tǒng)控制器、儲(chǔ)能、電力電子和分布式能源。”以阿什金為首的研究人員正計(jì)劃用它來(lái)進(jìn)行大量的控制設(shè)計(jì)分析。”

一旦他們有了控制，阿什金的團(tuán)隊(duì)將把它交給下一個(gè)團(tuán)隊(duì)，在美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的分布式能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。有了電源硬件在環(huán)能力，他們可以在模擬環(huán)境中測(cè)試物理設(shè)備，如阿什金團(tuán)隊(duì)建造的控制器，如月球基地模擬器。研究人員說(shuō)：”我們甚至可以模擬兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)：例如，在一個(gè)模擬器中模擬月球棲息地，在另一個(gè)模擬器中模擬采礦和生產(chǎn)，以及連接線或組成這個(gè)連接線的轉(zhuǎn)換器。

在他們的工作最終出現(xiàn)在月球上之前還有一段路要走，但兩位工程師都指出，他們正在做的工作與他們?cè)陉懙厣献龅氖虑椴](méi)有完全脫鉤。阿什金說(shuō)：”我們希望我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)的很多解決方案可以在地球上實(shí)施”，以建立更好和更有彈性的系統(tǒng)?！?/p>