为月球基地供电

美国宇航局在载人着陆系统 (HLS) 计划中选择 SpaceX 的星际飞船，这对各地的太空迷来说既令人惊讶又令人兴奋。之前我曾写过 Starship 雄心勃勃的方法如何改变 Artemis 计划，特别是因为 Starship 过多的货物有效载荷能力创造了许多机会，而这些机会以前因月球质量预算极其稀薄的严酷现实而受到限制。根据粗略的经验，月球运输的传统方法使货物成本高达 1 亿美元/吨，而 Starship 应该能够低至 100 万美元/吨而没有任何奇迹，甚至可能低至 10 万美元/吨长期。运输成本便宜 100-1000 倍是一种创造可能性的物流改进，最近我的大部分 Twitter 提要都充满了接受这一事实的顽固的太空书呆子。当然，如果 Starship 成功了，那么不久之后其他公司和国家就会复制它的成功——它没有什么神奇之处。因此，当我们现在想到 Starship 时，我们会想到 SpaceX 的原型在德克萨斯州南部的海滩上开辟道路，但从长远来看，我们应该将其视为任何大型、雄心勃勃、完全可重复使用、易于制造且最重要的是便宜的发射系统.当然，在过去的几年里，我们从 SpaceX 那里得到了这些可爱的渲染图，展示了月球基地的物理外观，但是一旦减去科幻元素，我们就剩下基础知识了。一堆被泥土覆盖的加压空间。启用 Starship 的 Lunar 基地不像“For All Mankind”第 1 季中的 Jamestown Base 那样令人沮丧的单间金枪鱼罐头。毕竟，一艘星际飞船可以比整个国际空间站和大约 215 吨的货物具有更大的可加压体积。相反，月球基地的外观和感觉更像是南极洲的麦克默多“麦克敦”站，这是唯一一个配备自动取款机的南极站。

这样的基地将包含充足的居住空间，使人们能够在不局促的情况下居住，还有专门的睡眠、饮食、工作、娱乐、物流、交通等设施。 与火星城市不同，它不一定围绕着大胆的目标而定位本地复制一个完整的工业堆栈，但它应该能够在任何时候舒适地容纳来自地球上任何国家的一千多名宇航员。居住地必然会加压，这意味着最有可能是拱顶和圆柱体，几乎没有尖角。它们还将被一层月球污垢覆盖，以防止微流星体、温度波动和宇宙辐射。即便如此，自然光还是有办法进入结构的，特别是因为在月球南极，太阳永远不会高于（或低于）地平线几度。在月球重力（~0.16 g）中，大约需要 9 米的月球污垢来对抗 0.5 bar 的工作大气，因此可以采用某种拉伸压力稳定结构来封闭大体积，尽管没有透明的“开放天空” ”火星稀薄的大气层允许。但是足够的架构推测（现在），让我们将注意力集中在战斗获胜或失败的核心：后勤。尤其是电力供应。可靠的电力来源也是南极站面临的挑战，南极站一般使用柴油发电机，偶尔补充风力发电。南极洲是一个寒冷、多风且通常非常黑暗的地方。事实上，当我的妻子克里斯汀在阿蒙森斯科特南极站过冬归来时，她确实闻到了一股淡淡的柴油气味。毋庸置疑，将柴油送到南极并非易事，在过去，它是由 C-130 空运过来的，尽管每运送一加仑汽油就燃烧三加仑。最近，巨型拖拉机将它从麦克默多（通常由船提供）拖过冰面，需要数周时间才能到达极地。还是比早期探险家那样拖着雪橇走路要好。早在古代，麦克默多甚至有一座核电站！尽管经过 8 年的零星运行，当时被称为“Leaky Poo”的反应堆被拆除并连同 9000 立方米 (!) 受污染的土壤一起运回美国大陆。这完全是核心问题的入门：为月球上任何规模的空间站供电并非易事。

太空电源的首选太阳能光伏（PV）面板受到月球长夜的挑战。在月球的大部分时间里，月球表面享受着 14 天不间断的阳光，然后是 14 天的夜晚。在此期间，必须有另一个电源可供电站运营使用，并且 2 周内不能随意关闭。事实上，除了大气调节、照明和其他一百万件事情之外，环境控制 (ECLSS) 还必须在寒冷的冬夜提供热量。由于月球上 ECLSS 的需求，再加上可能大量变化的昼夜节律和轮班工作，我认为可以公平地假设月球上的能源需求将比地球上的有规律得多，地球上的需求通常会下降夜间系数为 3 或 4。作为备用系统，电池可以在夜晚短暂、空气可呼吸且大多数人都在睡觉的地球上工作。在月球上，对于任何给定的基本负载需求，大约需要 80 倍的电池。虽然电池和太阳能电池板的相对质量在地球上并不重要，因为它们通常都固定在具有大量静态容量的结构上，但将一堆重型电池送上月球会吞噬其他东西的有效载荷。解决这个问题的一种可能方法是在南极（或北极）的山上建立一个基地，由于月球的低轴向倾斜，它享受比平均更多的太阳，就像相邻的陨石坑是永久阴影区（PSR）并含有一些冻泥。然而，这些“永恒之光的高峰”并不完全是永恒的。有多个山峰，特别是在农历冬季，它们往往会相互遮蔽。即使是沙克尔顿陨石坑边缘或附近的黄金地段也能忍受长达 7 天的夜晚，而在每日周期中的黑暗时间较短。这比非极地月球区域任何地方的一般情况提高了 2 倍，但这仍然是一个巨大的挑战。具体来说，太空级太阳能电池板通常做得非常薄，每平方米轻至 50 克——类似于一张报纸。如果 Starship 的整个 200 T 有效载荷都被太阳能电池板消耗掉，假设效率为 20%，它们可以产生 800 MW 的峰值。这对于地球上的一个小城市来说已经足够了。相比之下，真正好的锂离子电池可以达到大约 100 kWh/T，因此 200 T 的电池有效载荷将存储 20 MWh。连接到太阳能电池板后，它们可以在大约 90 秒内完全充电，并且在夜幕降临后，以相同的功率消耗，将在相同的时间内放电。 90 秒比 7 天少很多。或者，如果 20 MWh 必须持续 7 天，那么平均功率消耗将为 120 kW，与国际空间站大致相同。提供此功能所需的面板仅重 60 公斤，这是总有效载荷的四舍五入误差。可以说，通过电解月球水，然后捕获燃料电池的废气，可以实现隔夜电力存储。即使使用月球水，电池、冷凝器、电解槽、电力电子设备、储罐和热交换器的质量也与锂离子电池相当，而往返效率要低得多。这甚至不包括开采月球水的大量开销！为了论证起见，假设一个闭环氢储能系统达到 1 MWh/T。在这种情况下，上述情况会导致 900 秒或 15 分钟后断电。还不到7天。

一种可能的方法是将太阳能电池板放置在沙克尔顿陨石坑边缘周围许多精心挑选的位置，并将它们连接在一起，这样在任何给定时间，它们中的大部分都在阳光下。从好的方面来说，这降低了停电的几率。不利的一面是，它需要建造相距数公里的太阳能发电场，将它们连接到不可思议的坚固、廉价且轻便的电缆，这些电缆不会因帕邢定律而损坏，并且在冬天到来之前完成所有工作。我还研究了在一个非常高的塔上安装太阳能电池板，类似于无线电桅杆。它们坚固、轻便、高大，所以也许铝塔部分和面板之间存在某种交易，可以将面板放置得足够高，即使在农历冬天的深处也不会被遮蔽，从而避免更多的电池忍受月食所需的 2 小时左右。不幸的是，事实证明，避免任何阴影所需的最低高度是 2750 m，比地球上曾经建造的任何结构都要高。由于我认为为月球基地供电应该没有超过之前天线高度记录的四倍那么令人兴奋，因此必须有更好的方法。月球表面的温度波动很大。白天，它可以达到 127 C，而在晚上它可以低至 -173 C，总温度范围为 300 C。在 PSR 中，它甚至可以更冷，低至 -185 C。在月球南极区域，位于阴影区域（甚至人工阴影区域，例如在 MLI 包围的坑中）的散热器和放置在阳光区域的吸收器之间的热交换器系统可以产生能量，卡诺效率接近 75%！使工作流体通过（非常）大的冰浴可以确保在吸收器被遮蔽的黑夜中储存能量。为了维持 1 MW 的基线电源，大量的水可以转化为冰，从聚变潜热中产生 2200 kJ/kg。将水预热至接近沸腾或将冰冷却至较低温度几乎没有边际效益。所需的总体积约为 12,500 吨，或 5 个奥林匹克游泳池。相比之下，*仅* 2000 吨电池即可完成相同的工作，或者仅需要 10 次专门的 Starship 飞行。因此，需要大量、易于获取的当地采购水。尽管如此，拥有 10,000 T 的热质量始终不是一个坏主意。

在 100 K 和 400 K 之间运行的冷却剂回路需要诸如加压超临界乙烷之类的东西。不幸的是，在这种情况下，重力供热热管会颠倒过来。我对制冷剂了解不多，但以乙烷为例，它的热容量为 2.28 kJ/kg K，或者在 300 K 温度变化范围内为 684 kJ/kg。在 75% 的卡诺效率下，冷却剂回路需要以 2 kg/s 的速度移动才能产生 1 MW 的功率。对于 16 厘米（6.5 英寸）直径的埋地管道和 1 m/s 的流速，流体必须移动约 5 公里才能在阴凉和大部分阳光充足的区域之间过渡，总长度为 10 公里，总流体体积为 200 立方米，或大约 200 吨，仅用于冷却剂。 （或者如果可以在更方便的位置构建人工 PSR，则更少）。 Poiseuille 定律可以估算出该点设计的总泵送功率约为 25 W。太阳能加热很好，但如果有一种更可靠的方法来为 PSR 中的散热器提供热源呢？某种只散发热能的神奇金属？还有中子流。一个按比例放大的（或多个） Kilopower 反应堆可以提供 1 MW 的基线功率，总质量小于 150 T，包括 4 T 的铀。组装在任何方便的 PSR 中，核反应堆可以无限期地供电，无论月相如何。事实上，如果在远离极地地区使用，它们可能无法在白天提供大量电力，因为在阳光直射下难以散热。事实证明，太阳也是一个核反应堆，它更大更热。与月球水不同的是，提炼月球铀可能比获得发射许可证更容易。我将在这里考虑的最后一个疯狂想法是太空太阳能比喻的变体。我已经不止一次写过这个想法是多么愚蠢，但它的核心是一个可能最终成为现实的概念：远程波束微波功率。就像永恒之光的高峰一样，月球表面有许多地方，包括靠近极地的地方，总是能看到地球。事实上，在月球终结者的任何地方，地球似乎每隔几周就会升起和落下。放置在这里的微波天线可以接收从至少三个站之一从地球表面发射的功率，这样一个站总是在视野中。 1 MW 基线可以以 100 W/m^2 的功率密度安全传输，这意味着一旦考虑到光束损耗和转换损耗，接收区域的宽度约为 200 m。要获得来自地球的窄波束（1/2000000 rad），需要一个相控阵，其间隔要大得多，至少 200 公里，频率为 5 GHz（6 厘米）。相控阵的每个元件都是一个高功率陀螺仪，带有一个可操纵的高增益天线，相位锁定到从月球发射的载波上。

这种方法的优势包括月球表面基础设施的低成本及其相对较低的复杂性缩放。增加功率需要向地球上的每个发射站点添加更多的陀螺仪，这比在寒冷的地方调试新的核电站要简单得多，以至于用于机器人的传统金属变脆。主要缺点是这种阵列也是一种非常有效的反卫星武器，可能会引起扩散问题。 Starship 开启了建造一个大型、永久占据的月球基地的可能性。随之而来的是出乎意料但最终令人愉快的挑战，即确保基地获得足够的电力以运行其系统，毫无疑问。你会如何处理这个问题？