Проектирование устойчивых систем генерации энергии для лунных баз

Создание постоянного, устойчивого присутствия человека на лунной поверхности представляет собой наиболее значительный инженерный рубеж 21-го века. В то время как тяжелые ракеты-носители и передовые модули среды обитания захватывают общественное воображение, основой любой жизнеспособной лунной базы является ее система производства и распределения электроэнергии. Луна представляет собой исключительно враждебную среду для электрической инфраструктуры: экстремальный тепловой цикл, 354-часовая ночь, абразивная электростатически заряженная пыль, высокие уровни излучения и микрометеороиды. Проектирование энергосистемы, которая является не только надежной и безопасной, но и действительно устойчивой - минимизируя дорогостоящую и рискованную зависимость от наземного снабжения - требует радикального переосмысления архитектуры генерации, хранения и распределения энергии. Эта статья синтезирует текущие дорожные карты от НАСА и Европейского космического агентства, рецензируемые научные исследования и новые промышленные концепции, чтобы очертить технические принципы и интегрированные технологии, которые будут питать будущее человечества на Луне.

Пейзаж суровой лунной энергии

Прежде чем оценивать конкретные технологии, важно понять уникальные физические ограничения лунной рабочей среды.Энергосистема, предназначенная для Земли или даже для низкой околоземной орбиты (как Международная космическая станция), выйдет из строя почти сразу на Луне без обширных модификаций.

Термический цикл и материальная усталость

На лунной поверхности наблюдаются колебания температуры от примерно 127 °C в течение дня до -173 °C ночью, дельта более 300 °C, которая происходит каждые 29,5 земных дней. Это неустанное тепловое циклирование вызывает дифференциальное расширение и сокращение материалов. Разлом солдерных суставов, изоляция проводов становится хрупкой, а структурные компоненты деформируются. Мощная электроника, батареи и проводные ремни должны быть квалифицированы для тысяч этих глубоких циклов. Инженеры все чаще рассматривают гибкую электронику и передовые печатные платы на основе керамики, чтобы смягчить усталость, которую пострадают традиционные ПХБ FR-4 или алюминиевые ПХБ. Отторжение тепла одинаково сложно; без существенной атмосферы все отработанное тепло должно излучаться с использованием больших радиаторов с высокой излучательной способностью, которые должны быть тщательно ориентированы, чтобы избежать поглощения солнечного света.

354-часовая ночь: Стена хранения энергии

На лунном экваторе ночь длится примерно 354 часа (14,75 земных суток). Это единственное наиболее определяющее ограничение для проектирования энергосистемы. Чтобы проиллюстрировать масштаб проблемы: если лунная база требует непрерывной базовой нагрузки в 100 киловатт (кВт) в течение ночи, она должна либо генерировать эту мощность непрерывно (требуя ночного независимого источника, такого как ядерная энергия), либо хранить примерно 35,4 мегаватт-часов (МВт-ч) энергии. Для справки, современный литий-ионный аккумуляторный блок, используемый в электромобилях, обеспечивает примерно 250 ватт-часов на килограмм. Банк батарей 35,4 МВт-ч, следовательно, будет весить более 140 метрических тонн. Доставка такой массы с Земли будет стоить миллиарды долларов. Эта «стена хранения» является основным драйвером, толкающим системных архитекторов к гибридным решениям, связанным с мощностью деления или регенеративными топливными элементами, которые используют ресурсы на месте.

Пыль, радиация и микрометеороидные опасности

Лунный реголит представляет собой тонкую, стеклянную, абразивную пыль, которая электростатически заряжена солнечным ультрафиолетовым излучением. Он прилипает ко всему — солнечным панелям, поверхностям радиатора и электрическим разъемам. В миссиях «Аполлон» это вызвало перегрев оборудования и отказы уплотнения. Для энергетических систем накопление пыли на солнечных панелях может вызвать быструю деградацию выходной мощности. Технологии активного смягчения пыли, такие как электродинамические пылевые щиты (EDS), разработанные НАСА, используют высоковольтные поля переменного тока для подъема и удаления пыли с поверхностей. Кроме того, отсутствие магнитного поля или толстой атмосферы означает, что лунная поверхность бомбардируется солнечными вспышками и галактическими космическими лучами, требующими, чтобы силовая электроника была закаленной или сильно экранированной. Микрометеороидные удары представляют постоянную угрозу для открытой проводки и тонкопленочных солнечных батарей, что требует бронированных кабелей и модульных, сменных сегментов массива.

Технологии первичной генерации энергии

Ни одна технология одного поколения не может оптимально удовлетворить все требования лунной базы.Устойчивая и устойчивая архитектура почти наверняка будет гибридной системой, сочетающей в себе сильные стороны нескольких источников для обеспечения как базовой нагрузки, так и пиковой мощности.

Фотоэлектрика: рабочая лошадка лунного дня

Солнечная энергия является самым распространенным источником энергии на Луне. Солнечная постоянная на поверхности Луны составляет примерно 1,36 кВт/м2, выше, чем на поверхности Земли, из-за отсутствия атмосферного затухания. Однако ключ к тому, чтобы сделать фотоэлектрику жизнеспособной, выходит за рамки традиционных наземных солнечных панелей.

Высокоэффективные многоконтактные солнечные элементы, аналогичные тем, которые используются на марсоходах, обеспечивают эффективность, превышающую 30%, и гораздо более устойчивы к радиационному повреждению. Эти клетки обычно выращиваются на германиевых подложках и могут захватывать более широкий спектр солнечного света. Для лунного развертывания варианты тонкой пленки (такие как CIGS или перовскит-на-гибких подложках) особенно привлекательны, потому что они предлагают очень высокие соотношения мощности к массе, по своей природе гибкие и могут быть развернуты как ковер роботизированными роверами. Другим критическим выбором конструкции является размещение массива. Развертывание высоких вертикальных массивов на лунных полюсах (в частности, вблизи Южного полюса на «Пик вечного света») позволяет панелям захватывать почти непрерывный солнечный свет, избегая при этом жестокой 354-часовой экваториальной ночи. Это устраняет необходимость в массивном хранении энергии, хотя это ограничивает местоположение базы конкретными полярными кратерными краями.

NASA Lunar Surface Innovation Initiative активно финансирует исследования по автономному развертыванию крупномасштабных солнечных батарей.Эти системы должны быть легкими, самовозводимыми и способными выдерживать тепловой цикл без механического отказа.

Поверхностная мощность деления: решение для базисной нагрузки

Для баз, расположенных на неполярных участках, или для промышленных операций, требующих мегаватт непрерывной мощности независимо от дневных/ночных циклов, поверхностная мощность деления (FSP) является наиболее жизнеспособной технологией.В отличие от солнечной, реакторы деления производят постоянную мощность, независимую от солнечного света, ориентации или накопления пыли.

НАСА и Министерство энергетики успешно продемонстрировали проект Килоэнергетика, который доказал, что небольшой масштабируемый реактор деления может обеспечить от 1 до 10 кВт электроэнергии в течение как минимум 10 лет. Реактор использует ядро урана-235 и пассивные натриевые тепловые трубы для передачи тепла двигателям Стирлинга, которые преобразуют его в электричество с высокой эффективностью. Для постоянной лунной базы потребуется флот из реакторов класса 40 кВт или один более крупный реактор мощностью 100 кВт.

Основными проблемами для деления Луны являются управление температурой и безопасность. Отказ от огромного отработанного тепла, генерируемого реактором, требует больших массивов радиаторов, которые должны быть свободными от пыли и правильно ориентированными. С точки зрения безопасности реактор должен быть спроектирован так, чтобы он не мог стать критическим во время аварии на запуске. Это включает в себя запуск ядра, не собранного или с полностью вставленными стержнями управления, и активацию системы только после того, как она безопасно размещена на лунной поверхности, часто в экранированном кратере или похоронена под реголитом для радиационной защиты.

Регенеративные топливные элементы и синергия ISRU

Регенеративные топливные элементы (РЧК) предлагают высокоустойчивый механизм хранения энергии замкнутого цикла. В течение лунного дня избыточная солнечная энергия используется для электролизирования воды в водород и кислород. Эти газы хранятся под давлением или криогенно. В течение лунной ночи водород и кислород рекомбинируются в стеке топливных элементов для выработки электроэнергии, тепла и — критически — воды, которая затем подается обратно в петлю электролиза.

Истинная сила RFC заключается в их синергии с использованием ресурсов In-Situ (ISRU). Стратегия ISRU ESA в значительной степени подчеркивает извлечение водяного льда из постоянно затененных областей (PSR) на лунных полюсах. Если вода может быть добыта локально, масса системы топливных элементов падает, потому что базе не нужно импортировать свое топливо. Кроме того, полученный кислород может использоваться для жизнеобеспечения, а водород может использоваться в качестве топлива. Интегрированная система RFC, возможно, является наиболее устойчивым вариантом, поскольку она хранит энергию химически с более высокой удельной энергией (Втч / кг), чем батареи, хотя ее эффективность круглого пути ниже.

Исследователи активно разрабатывают методы производства солнечных элементов из расплавленного лунного реголита с использованием процесса, аналогичного извлечению кремния в наземных литейных заводах. В то время как эффективность солнечных элементов на основе реголита в настоящее время ниже, чем наземные элементы с высокой чистотой, они по существу свободны для производства с точки зрения массы запуска. Роботизированный завод на Луне может 3D-печатать огромные поля солнечных батарей и кирпичи с агломерацией для теплового хранения, создавая самоподдерживающуюся энергетическую инфраструктуру. Такие компании, как Astrobotic и стартапы, ориентированные на космическое производство, изучают эти применения солнечных элементов, изготовленных из реголита , которые могут резко сократить стоимость расширения лунной базы.

Вывод: Гибридная лунная сеть

Проектирование устойчивой системы генерации энергии для лунной базы требует от инженеров выбрасывать наземный свод правил и внедрять инновации из первых принципов. Нет единой серебряной пули. Победной архитектурой для первых постоянных лунных баз будет тщательно сбалансированная гибридная система. Она будет сочетать в себе мощность поверхности деления для непрерывной, надежной энергии базовой нагрузки независимо от дневного / ночного цикла; высокоэффективные фотоэлектрические массивы для генерации дневной энергии малой массы в местах вблизи пиков вечного света; и регенеративные топливные элементы или системы теплового хранения, которые используют водный лед на месте и реголит для моста долгой ночи. Сложные микросети HVDC с автономным управлением и избыточностью N + 2 свяжут эти элементы вместе, гарантируя, что одна точка отказа не завершит миссию.

Технологии для достижения этого в значительной степени доказаны в лаборатории или в демонстрационных миссиях. Оставшаяся работа заключается в разработке их для экстремальных условий, интеграции их в сплоченную систему и сокращении затрат на развертывание с помощью стратегий ISRU. Устойчивая энергосистема, которую мы строим на Луне, не только обеспечит постоянное присутствие человека там, но и послужит критическим полигоном для энергетических архитектур, необходимых для достижения Марса.