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早期的探月活動采用的是一次性技術(shù)，它的設(shè)計初衷是在兩周的月球白晝期間運行，然后湮沒在漫長寒冷冰凍的夜晚。為了維持基地的運行，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120℃；夜晚，溫度會降到-220℃，和冥王星一樣冷。沒有加熱器，設(shè)備就會損壞，巨大的溫度變化產(chǎn)生的機械應(yīng)力，會使結(jié)構(gòu)部件變得易碎和破裂。沒有陽光，太陽能板就變得毫無用處，寬闊的面板只會更快地散失熱量。電池容量降低，其液體成分會凍結(jié)，并進入一個耗電周期，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，陰影面的溫度比陽光面低數(shù)百攝氏度。將隔熱、反射和太陽能板產(chǎn)生的能量相結(jié)合，整個航天器在飛行過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，才開始倒計時。
為了維持在有限的陽光條件下連續(xù)工作，“旅行者號”和“新視野號”等大多數(shù)深空任務(wù)，以及“阿波羅月球表面實驗組合項目”（ALSEP）等月球表面長期探測器，均使用放射性同位素?zé)岚l(fā)電機，這些發(fā)電機可以持續(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，太陽能將是一個更好的方案。
我們和宇航機器人公司Astrobotic的同事致力于讓全世界都能進入太空。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”，以及計劃于2024年將美國國家航空航天局的“揮發(fā)性物質(zhì)調(diào)查極地探險月球車”（VIPER）運送到月球南極的“格里芬號”?，F(xiàn)在，Astrobotic公司打算解決月球上的電力問題，通過一項公共服務(wù)在終年陽光照耀的月球兩極收集太陽能，再將其分配給沒有陽光的黑暗地方。
為什么要選在那里呢？因為美國國家航空航天局計劃通過其阿爾忒彌斯項目在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永久基地。這個地區(qū)特別令人感興趣的是深隕石坑，其內(nèi)部永遠處于陰影中，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——氫，可能有一天會與氧結(jié)合，用來給火箭補充燃料。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轉(zhuǎn)所需的電力還要多。到目前為止，沒有一項阿波羅任務(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)都是在月球白天進行的，宇航員可以在溫暖的陽光下工作。提供電力的是燃料電池，而不是太陽能電池，因為在20世紀六七十年代，太陽能電池的重量功率比極高。得益于近幾十年的科技進步，太陽能電池板的重量已經(jīng)大大減輕了。
許多小型月球機器人，如美國的ALSEP、蘇聯(lián)的Lunakhod月球車和中國最近發(fā)射的“嫦娥”探測器的著陸器都利用核能維持了數(shù)月或數(shù)年的運行。這些機器人使用放射性同位素加熱器來直接加熱物體，用放射性同位素?zé)岚l(fā)電機將放射性熱能轉(zhuǎn)化為電能。
有人提議用裂變反應(yīng)堆來支持阿爾忒彌斯任務(wù)，但這項技術(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公司沒有排除利用核能，公司已經(jīng)在與西屋公司合作，為美國國家航空航天局/能源部聯(lián)合開發(fā)裂變反應(yīng)堆。但對于阿爾忒彌斯基地早期的供電，Astrobotic預(yù)計美國國家航空航天局將采用其全太陽能供電的LunaGrid。以下是我們和同事設(shè)計的LunaGrid的原理。
LunaGrid由固定電站和移動充電站的模塊化網(wǎng)絡(luò)組成。固定電站通過電纜連接在一起。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，并可能會對在該區(qū)域工作的宇航員造成潛在的危險。
這些電站將部署在月球南極附近，那里的陽光照射區(qū)域非常靠近夜間區(qū)域，可以確保至少有一些太陽能電站始終提供電力。不遠處便是永久陰暗，其隕石坑底部蘊藏著水冰。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。在正午太陽高懸的地方，這種方法很好。但是在月球兩極，太陽總是靠近地平線。因此，為了更多地攔截陽光，太陽能電池板需要垂直安裝。
我們計劃使用的設(shè)備包括豎立在月球車基座頂部的折疊太陽能電池板。這些垂直太陽能電池板展開后，可高出地面20米以上。移動式設(shè)計可使這些電站從著陸器降落到月球表面，自我調(diào)平并移動到遠處的位置，同時可管理長達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的機器人部署。
可展開的太陽能電池陣列來自位于佛羅里達州杰克遜維爾的Redwire航天公司，目前正在國際空間站使用。固定發(fā)電站將采用美國國家航空航天局肯尼迪航天中心的電動太陽能電池蓋，它可以產(chǎn)生一種力，防止灰塵顆粒沉積在電池板上。為了方便單個電站的電力轉(zhuǎn)換饋入電網(wǎng)，系統(tǒng)使用美國國家航空航天局格倫研究中心開發(fā)的電力處理設(shè)備。
電站無法將電力分配到與電網(wǎng)分離的地方，這需要CubeRover小型機器人車來完成。作為LunaGrid系統(tǒng)的靈巧之手，這些輕型模塊化機器人的重量從4.6千克到10.6千克不等，每一個都可以攜帶大約有其質(zhì)量一半的額外有效載荷，它可以在一個月球日內(nèi)穿越幾千米。對太空漫游技術(shù)來說，這樣的速度已經(jīng)很快了；相比之下，“勇氣號”火星探測器在2000多個地球日中行駛不到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)期目的地移動的過程中，CubeRover將與垂直太陽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機器人延長線。CubeRover可在任何需要電力的地方提供短程無線充電。例如，美國國家航空航天局的“就地資源利用挖掘機”可以通過CubeRover在陰影處的挖掘現(xiàn)場充電，而不用花費時間和能量返回到發(fā)電節(jié)點或帶有太陽能電池板的著陸器。
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。目前面臨的一項主要挑戰(zhàn)是電纜在月壤（月球表面的砂礫）上拖動時會產(chǎn)生磨損。與地球土壤不同，月壤沒有被風(fēng)化成光滑的圓形顆粒，而是類似于細碎的玻璃，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，因為來自太陽的離子流，塵埃也會帶靜電，它會粘在宇航服上，溜進著陸器堵塞設(shè)備。
另一個問題是如何將電力傳送到需要它的設(shè)備。機械匹配的電氣接頭就像日常接入墻上的插座，會被灰塵堵塞。而且，接入插座需要靈巧性，這對于機器人和穿著宇航服的宇航員來說都很難實現(xiàn)。因此，Astrobotic利用WiBotic、博世和華盛頓大學(xué)開發(fā)的技術(shù)設(shè)計了一款無線充電器。它不需要完全地對準，只需要接近即可充電。更具體地說，無線充電器和接收器線圈工作可距離4厘米遠，角度偏移可達40度。
2026年，當(dāng)?shù)谝粋€LunaGrid節(jié)點在月球南極附近著陸時，Astrobotic著陸器中將出現(xiàn)一臺移動電站，降落到月球表面，最遠行駛到2千米以外的地方，同時沿途放置輸電電纜。接下來，這臺電站將展開它的垂直太陽能電池陣列，形成LunaGrid的第二個節(jié)點。這兩個節(jié)點都能利用太陽能發(fā)電，電力可以相互傳輸，或通過配備無線充電器的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，將這兩個電站與更多節(jié)點連接起來，形成一個成熟的電網(wǎng)，可立即為阿爾忒彌斯月球基地或其他設(shè)備供電。
LunaGrid采用垂直太陽能電池陣列，可用于太陽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能電池陣列。衛(wèi)星或行星離太陽越遠，需要的太陽能陣列越大、節(jié)點越多，但原則上，太陽能可為太空探索提供適用的電源，即使是在離太陽很遠的地方。
假設(shè)現(xiàn)在是2040年，在月球上工作對機器人和人類來說都已成為日常。也許會出現(xiàn)研究村，就像南極洲的科考營地一樣。每一次新的月球任務(wù)，每一家新的企業(yè)，都可以接入不斷擴大的電網(wǎng)，為運行科學(xué)儀器、建造深空運載火箭以及生產(chǎn)所需的燃料提供電力。
