【智科院導(dǎo)讀】：未來的月球基地將需要為采礦和宇航員生存提供動力。
上次在月球上待的時間太短了。這是目前為止，人類一個永恒的遺憾。
下次人類登陸月球時，他們打算停留一段時間。對于阿特米斯(Artemis)計劃，美國宇航局及其合作者希望在月球上建立一個持續(xù)的存在，這包括建立一個可以讓宇航員生活和工作的基地。
一個正常運(yùn)作的月球基地的關(guān)鍵因素之一是電力供應(yīng)。在美國的桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室，一個專門為軍事基地建造微電網(wǎng)的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，正在與美國宇航局合作，設(shè)計一個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進(jìn)入更遠(yuǎn)的太空的技術(shù)試驗(yàn)場。比如說航行到火星。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)施將同時工作以減少來自地球的供應(yīng)需求。
當(dāng)然，為月球基地設(shè)計一個微電網(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，能源儲存和電源管理將是至關(guān)重要的。
月球棲息地將包括一個生活單元以及一個采礦和加工中心，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兩個直流微電網(wǎng)，用一條連接線將它們連接起來。
桑迪亞的另一位電氣工程師李·拉什金(Lee Rashkin)說，他們正在努力確定連接線的參數(shù)。他說：”我們正在考慮電壓要比兩個負(fù)荷中心高一點(diǎn)，因?yàn)樗仨氃趦蓚€負(fù)荷點(diǎn)之間跨越幾公里“。他補(bǔ)充說，”在更高的電壓下推送電力會更容易，因?yàn)樗枰俚碾娏?，使之更容易一點(diǎn)。“
拉什金說，居住單元的大小將與國際空間站差不多，采礦和加工中心則稍大一些，它們之間的距離約為10公里。雖然這兩個系統(tǒng)將被設(shè)計為自給自足，但 “連接線的存在主要是為了實(shí)現(xiàn)冗余。拉什金說：”如果棲息地的一個光伏發(fā)電機(jī)發(fā)生意外，它可以輸入電力來維持這些負(fù)載，這對維持人們的生命至關(guān)重要。
另外一個研究人員補(bǔ)充說，每個系統(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)制來重新分配電力，以便從一個來源接收。
由于計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)計將有大量的電力電子設(shè)備和分布式能源資源。拉什金說：”電力電子技術(shù)本質(zhì)上相當(dāng)于一個齒輪箱。”就像齒輪箱從一個速度和扭矩值轉(zhuǎn)換到另一個速度和扭矩值一樣，電力電子技術(shù)可以從一個功率和電壓水平轉(zhuǎn)換到另一個。” 這些電力電子轉(zhuǎn)換器將是管理電池或太陽能電池板和主總線之間電力的關(guān)鍵。
因此，毫無疑問，這些主要能源將是太陽能，并以電池作為補(bǔ)充。與地球不同，月球上沒有云層遮擋，這意味著月球表面接受更多的直接陽光。拉什金認(rèn)為這在某些方面是一個優(yōu)勢，但他們必須考慮到月球的夜晚，大約是兩個地球星期的時間。
有一些儲能選擇，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)有更多的太陽能發(fā)電和負(fù)載需求時，太陽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，確保電池不會完全耗盡，并確保太陽能電池板的發(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)劃出任何時候需要的充電狀態(tài)。拉什金補(bǔ)充說：”對后一種控制水平的限制之一是，儲能需要在太陽消失時完全充電?！?/p>
所有的測試和調(diào)整將在美國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)臺進(jìn)行。阿爾伯克基說：”我們有為月球基地計劃的所有規(guī)格的模擬能力。該測試平臺可用于建立一個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、儲能、電力電子和分布式能源。”以阿什金為首的研究人員正計劃用它來進(jìn)行大量的控制設(shè)計分析。”
一旦他們有了控制，阿什金的團(tuán)隊將把它交給下一個團(tuán)隊，在美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的分布式能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。有了電源硬件在環(huán)能力，他們可以在模擬環(huán)境中測試物理設(shè)備，如阿什金團(tuán)隊建造的控制器，如月球基地模擬器。研究人員說：”我們甚至可以模擬兩個獨(dú)立的系統(tǒng)：例如，在一個模擬器中模擬月球棲息地，在另一個模擬器中模擬采礦和生產(chǎn)，以及連接線或組成這個連接線的轉(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在陸地上做的事情并沒有完全脫鉤。阿什金說：”我們希望我們在這個項目中發(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>
