月球基地能源系統(tǒng)初步研究

任德鵬，李青，許映喬

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

引 言

隨著人類科技文明的發(fā)展，未來必然會(huì)將生存和發(fā)展的空間拓展至地外天體或宇宙空間，當(dāng)前開展的深空探測(cè)是人類文明邁入太空時(shí)代的第一步。月球是距地球最近的天體，自然成為首選的探測(cè)目標(biāo)。過去幾十年的月球探測(cè)取得了一定的科學(xué)成果，我們了解到月球上蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源和能源[1]。對(duì)于解決人類社會(huì)面臨的發(fā)展危機(jī)具有重要意義、月球具備天然的環(huán)境和地理優(yōu)勢(shì)，是開展科學(xué)觀測(cè)和研究生產(chǎn)的理想場(chǎng)所。對(duì)月球認(rèn)識(shí)的提高，豐富了月球探測(cè)的意義。聯(lián)合國(guó)早在1984年就通過了《指導(dǎo)各國(guó)在月球和其他天體上活動(dòng)的協(xié)定》，確立了開發(fā)和利用月球資源的合法性。在這種背景下，深入開展月球探測(cè)成為各航天大國(guó)的一項(xiàng)使命。當(dāng)前人類針對(duì)月球的探測(cè)尚處于初級(jí)階段，對(duì)月球的了解仍非常有限[2]，現(xiàn)有的探測(cè)途徑已不能滿足后續(xù)發(fā)展的需求，建設(shè)月球基地深入開展科學(xué)探測(cè)、逐步開發(fā)和利用月球資源是月球探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)[3-4]。美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）早在2005 年就公布了月球基地的建設(shè)方案，其他國(guó)家也先后制定了各自月球基地的發(fā)展計(jì)劃，并開展了先期技術(shù)研究[4]。月球基地被賦予了很多功能，歸納起來主要包括:①月球科學(xué)探測(cè)平臺(tái)；②月基空間觀測(cè)站；③科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；④軍事戰(zhàn)略基地；⑤月球資源開發(fā)站；⑥深空探測(cè)中轉(zhuǎn)站；⑦人類生存拓展殖民地。其中任何一項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)都會(huì)對(duì)當(dāng)今人類的政治、經(jīng)濟(jì)、科技、軍事產(chǎn)生重要影響。

能源是維持月球基地正常工作的前提，是各階段月球基地共同的需求，在各種規(guī)劃論證中也都將能源系統(tǒng)列為月球基地的重要組成部分，并作為基地設(shè)計(jì)的一項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)[3-5]。本文從月球基地的任務(wù)入手，結(jié)合月面環(huán)境特點(diǎn)分析了基地能源系統(tǒng)的基本要求，通過能源類型的具體分析提出了一種解決初期階段月球基地能源供應(yīng)的方案，旨在為我國(guó)月球基地的深入論證提供參考。

1 月球基地發(fā)展及能源系統(tǒng)要求分析

按當(dāng)前人類科技水平的發(fā)展可以預(yù)測(cè)，月球基地的研發(fā)和應(yīng)用可分為4大階段:①初級(jí)階段為無人基地，主要由智能機(jī)器人執(zhí)行基地的運(yùn)行管理，該階段的主要任務(wù)是深入開展月球科學(xué)探測(cè)及系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)月球礦石的開采加工、建筑材料制備、氧氣制造、能源利用等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)有人基地的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，基地的月面工作周期不少于1年；②中期階段為短期有人基地，該階段月球基地可提供5～10名航天員半年左右的生存條件，其主要任務(wù)為搭建循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)生存系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證、安裝并測(cè)試基地拓展的功能模塊、開采礦石和月壤并制備基地維護(hù)所需的材料；③高級(jí)階段，通過中期階段的發(fā)展，基地的各組成模塊已經(jīng)齊全并能夠正常發(fā)揮其功能，月球基地的發(fā)展進(jìn)入了高級(jí)階段，已經(jīng)能夠滿足100名航天員長(zhǎng)期駐守，此時(shí)月球基地的主要工作轉(zhuǎn)為對(duì)月球資源的開發(fā)應(yīng)用，利用月球的原位資源拓展基地的規(guī)模和保障條件是該階段的主要任務(wù)；④應(yīng)用階段，此時(shí)的月球基地已經(jīng)發(fā)展為功能齊全、自給自足的月球生態(tài)城鎮(zhèn)，能夠生產(chǎn)和儲(chǔ)備必要的資源和能源反供地球，全面實(shí)現(xiàn)月球基地功能，充分發(fā)揮人類進(jìn)入太空時(shí)代的中繼站作用。

作為功能相對(duì)齊全、任務(wù)周期較長(zhǎng)的月球基地，科學(xué)任務(wù)多且能夠連續(xù)工作是其基本特征，與常規(guī)月面探測(cè)器相比，月球基地的能源需求更大且要求輸出持續(xù)穩(wěn)定。作為月球基地的能源供應(yīng)站，能源系統(tǒng)必須滿足以下基本要求。

1）適應(yīng)月面環(huán)境

月球表面地形崎嶇復(fù)雜，表面沒有大氣，重力加速度僅為地球的1/6。月晝期間月表溫度高達(dá)120℃、而月夜期間降至-180℃[6]。月面還存在復(fù)雜的空間輻射環(huán)境[7]。能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須采取必要措施或開展驗(yàn)證試驗(yàn)，確保在月面特殊工作環(huán)境中能夠正常工作。

2）能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行

為提高月球基地的工作效率，能源系統(tǒng)需在月晝和月夜期間都能連續(xù)提供能源保障；受發(fā)射準(zhǔn)備周期的影響，初級(jí)和中期階段的月球基地不可能隨時(shí)有航天員進(jìn)行故障處理和設(shè)備檢修，因此能源系統(tǒng)需具備智能化運(yùn)行和可靠性高的特點(diǎn)。該系統(tǒng)不宜使用一次性能源，應(yīng)確保在長(zhǎng)期不補(bǔ)充原料的條件下仍能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

3）輸出功率大且能夠熱電聯(lián)合輸出

不同階段的月球基地對(duì)能源的需求量雖不相同，但即便是初級(jí)的無人基地也需要幾十至上百千瓦的能量輸入保證其完成既定的任務(wù)[3]。月夜期間，為保證在低溫環(huán)境中設(shè)備和人員的安全，需要能源系統(tǒng)能夠持續(xù)提供必要的熱量。因此，月球基地能源系統(tǒng)需具備輸出功率大、熱電聯(lián)產(chǎn)的特點(diǎn)。

4）環(huán)保潔凈

月球是人類共有的資源，人類的探測(cè)和開發(fā)也需要保持可持續(xù)發(fā)展，不能對(duì)月球環(huán)境產(chǎn)生不可恢復(fù)的破壞。能源系統(tǒng)應(yīng)為一個(gè)封閉的系統(tǒng)，只與外界發(fā)生能量的交換，其工作過程不能對(duì)外排放不可分解的廢液、廢氣，也不能導(dǎo)致失控的放射性污染。

5）輕小型一體化

在未實(shí)現(xiàn)利用月球原位資源滿足自給自足的階段，能源系統(tǒng)需要隨月球基地一起由運(yùn)載火箭發(fā)射至月面，重量輕、效率高的系統(tǒng)才能滿足設(shè)計(jì)要求。為保證能源供應(yīng)的連續(xù)性并降低操作難度，能源系統(tǒng)要求一體化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)月面著陸后即可就位工作，不能有復(fù)雜的組裝、調(diào)試和準(zhǔn)備過程。

2 能源利用類型分析

月球沒有大氣和海洋，尚未發(fā)現(xiàn)存在生命的跡象，人類已成熟掌握的風(fēng)能、潮汐能、化石能等能源利用技術(shù)在月球上都無法應(yīng)用，月球基地只能采用其他的能源類型。以下結(jié)合月球的資源、環(huán)境特點(diǎn)及系統(tǒng)的要求，對(duì)月球基地能源利用類型進(jìn)行分析。

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用材料的光電效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的能源類型，該系統(tǒng)在人類社會(huì)的各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，大部分航天器設(shè)計(jì)中也都將之作為主能源使用[8]。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常的組成形式包括太陽電池陣、蓄電池和電源管理器，相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用技術(shù)已趨于成熟。月球表面有著豐富的太陽能，月球距太陽的距離約為1 AU且沒有大氣造成的衰減，月面上單位垂直面積接收的太陽能高于地面的任何地區(qū)；月球赤道面與黃道面的夾角小于2°[9]，其任意位置太陽高度角的變化規(guī)律基本不變，利于對(duì)太陽的定向跟蹤；月面白晝持續(xù)時(shí)間約為14個(gè)地球日，可以提供持續(xù)的光照。這些都是月球基地采用光伏發(fā)電系統(tǒng)作為主能源的有利因素，該系統(tǒng)能夠解決月晝期間基地的能源需求。但在日食及月夜期間光伏發(fā)電系統(tǒng)無法工作，此時(shí)能源的供應(yīng)只能依靠蓄電池。蓄電池存在功率密度小、充放電效率低、循環(huán)壽命短的缺點(diǎn)[10]，在低溫環(huán)境中其放電效率會(huì)明顯下降。即便是最新型的鋰離子蓄電池，短期內(nèi)其比能量也難以提高至300 Wh/kg[11]，月夜期間若要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的能量輸出，能源系統(tǒng)需要較大的重量資源。正因?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)不滿足連續(xù)工作和熱電聯(lián)產(chǎn)的要求，導(dǎo)致“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器在月夜期間只能處于休眠狀態(tài)，且需要放射性同位素?zé)嵩礊槠浼訜醄12]，顯然該系統(tǒng)不適合作為月球基地的主能源。

2）光熱發(fā)電系統(tǒng)

光熱發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能將工質(zhì)加熱膨脹，以高壓氣體的形式驅(qū)動(dòng)透平進(jìn)行發(fā)電的裝置。在能量利用途徑上該系統(tǒng)先將太陽能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。光熱發(fā)電系統(tǒng)一般由集熱器、熱機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，近年來在民用領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，但在空間應(yīng)用方面的進(jìn)展相對(duì)緩慢。與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電系統(tǒng)具有效率高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)[13]，其直接利用了太陽輻射的熱能，因此容易實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)；月球表面沒有大氣，其光照區(qū)和陰影區(qū)有較大的溫差，能夠簡(jiǎn)化工質(zhì)散熱裝置的設(shè)計(jì)，這些是光熱發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于月球基地的有利因素。但該系統(tǒng)同樣無法解決月夜期間的能量輸出問題，由于存在運(yùn)轉(zhuǎn)組件，其系統(tǒng)可靠性相對(duì)低且工作準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，這些缺點(diǎn)也決定了光熱發(fā)電不能滿足月球基地能源系統(tǒng)的要求。

3）放射性同位素溫差電源系統(tǒng)

溫差電源是利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的能源類型，由于其工作原理簡(jiǎn)單、內(nèi)部沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此具有可靠性高、無污染的優(yōu)點(diǎn)[14]。在民用領(lǐng)域主要應(yīng)用于工業(yè)節(jié)能和廢熱利用等方面[15]，在空間領(lǐng)域主要應(yīng)用于光伏系統(tǒng)無法工作的深空探測(cè)方面[16-17]。溫差電源正常工作需要與熱源配合使用，采用放射性同位素作為熱源，利用元素衰變過程產(chǎn)生的熱量能夠使溫差發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，其壽命僅取決于元素的半衰期。溫差發(fā)電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，月夜期間仍能正常工作，且能夠?qū)崿F(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。但該系統(tǒng)存在2個(gè)主要的缺點(diǎn):①綜合效率低，溫差發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率普遍不超過10%，其最高質(zhì)量比功率只有6 W/kg左右，輸出電功率一般不超過1 kW；②綜合成本高，無論是溫差材料的研制還是同位素?zé)嵩吹闹苽涠夹枰厥獾墓に嚭捅Ｕ蠗l件，導(dǎo)致溫差發(fā)電系統(tǒng)價(jià)格高昂、無法批量生產(chǎn)也不適合大規(guī)模裝備。可見，溫差發(fā)電系統(tǒng)不適用于月球基地。

4）空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)

由于受控核聚變技術(shù)目前尚未完全掌握，這里的核反應(yīng)堆電源特指空間裂變核反應(yīng)堆電源，是將核裂變反應(yīng)過程產(chǎn)生的熱能進(jìn)行綜合利用的裝置，主要由反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、放射屏蔽系統(tǒng)和廢熱排放系統(tǒng)組成。與其他類型的能源系統(tǒng)相比，空間核反應(yīng)堆電源具有功率大、壽命長(zhǎng)、生存能力強(qiáng)、可全天候工作的特點(diǎn)[18]，在空間領(lǐng)域方面也有廣泛的應(yīng)用背景，被認(rèn)為是月球基地及其他深空探測(cè)任務(wù)中最理想的能源類型[19]。20世紀(jì)60年代以來，美國(guó)對(duì)月球及火星基地用空間核反應(yīng)堆電源進(jìn)行了大量研究，提出了多種代表性設(shè)計(jì)方案[20-23]，近年來俄羅斯、中國(guó)[19,24]、日本等國(guó)也開展了相應(yīng)的研究工作。為避免對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人員的輻射傷害，反應(yīng)堆必須考慮對(duì)中子的屏蔽防護(hù)；為確保堆體的安全、提高能源的轉(zhuǎn)換效率，冷卻工質(zhì)多采用導(dǎo)熱性能好、熱容大的液態(tài)金屬，甚至需要進(jìn)行多級(jí)冷卻。這些必要的設(shè)計(jì)導(dǎo)致電源系統(tǒng)有較大的重量，如美國(guó)為火星基地研制的“HOMER”（Heatpipe-Operated Mars Explortion Reactor）系統(tǒng)，其輸出電功率為3 kW、總質(zhì)量達(dá)2.13 t[23]；而“AFSPS”（Aflordable Fission Surface Power System）系統(tǒng)，輸出電功率40 kW、全集成方案的總質(zhì)量為8.8 t[21]。降低系統(tǒng)重量、提高質(zhì)量比功率仍是后續(xù)研制的重點(diǎn)，此外提高系統(tǒng)自主運(yùn)行管理能力、降低事故發(fā)生后的影響程度都是促進(jìn)核能系統(tǒng)應(yīng)用于月球基地的研究?jī)?nèi)容。

5）燃料電池系統(tǒng)

燃料電池是一種能直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染、比功率高的特點(diǎn)[25]。隨著人類面臨越來越嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問題，燃料電池的優(yōu)點(diǎn)越發(fā)突顯，在世界范圍內(nèi)引發(fā)了廣泛的研究熱潮并取得了實(shí)際應(yīng)用。特別在空間應(yīng)用領(lǐng)域，近年來各類新型航天器的研制為燃料電池提供了廣泛的應(yīng)用背景[26]。目前空間領(lǐng)域的應(yīng)用以氫氧燃料電池為主，其中質(zhì)子交換膜燃料電池是后續(xù)發(fā)展和應(yīng)用的主流[27]。為解決燃料電池工作時(shí)間受限于攜帶燃料的缺點(diǎn)，近年來人們又以氫氧燃料電池為基礎(chǔ)、結(jié)合水電解技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)開發(fā)出一種可再生的燃料電池系統(tǒng)，其比能量高達(dá)400～1 000 Wh/kg，較傳統(tǒng)的蓄電池有明顯優(yōu)勢(shì)[28]。再生燃料電池能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)和能量的循環(huán)利用、可同時(shí)輸出電能和熱能、多余的水可提供航天員飲用，尤其適用于月球基地[29]。但該系統(tǒng)采用電解水的方式實(shí)現(xiàn)燃料氣體的再生，過程中需要消耗大量的電能，導(dǎo)致系統(tǒng)的電效率（電-氣體-電）較低，研究高效的電解催化技術(shù)或?qū)ふ腋?jīng)濟(jì)的水解方法是促進(jìn)其具體應(yīng)用的一項(xiàng)重要工作。

6）其他能源系統(tǒng)

月球特殊的運(yùn)轉(zhuǎn)特征使其表面的太陽輻射熱流有相對(duì)固定的變化規(guī)律，月面任意位置在每個(gè)晝夜交替期間的溫度變化幾乎相同[6]。由于月壤的導(dǎo)熱系數(shù)很小，一定深度處月壤的溫度已近似不變[30]，無論是月晝還是月夜，月壤中都存在最大可達(dá)100℃的溫差。圍繞利用月面自然溫度環(huán)境，人們提出了多種能源利用的方案，如采用溫差發(fā)電器利用月壤內(nèi)部的溫差實(shí)現(xiàn)發(fā)電、采用低溫工質(zhì)熱機(jī)利用月壤儲(chǔ)能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換等。這些能源系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)尚不完善，且需要對(duì)月壤進(jìn)行人工改造，工程實(shí)施有很大的難度，不適合應(yīng)用于初級(jí)階段的月球基地。

通過上述分析，可以得到以下認(rèn)識(shí):①月球基地能源系統(tǒng)有多方面的要求，單一類型的能源系統(tǒng)同時(shí)具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，月球基地需要考慮多種能源類型的結(jié)合，集成各系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)、彌補(bǔ)各自的缺陷；②月球基地能源系統(tǒng)將沿著太陽能-核裂變能源-核聚變能源的技術(shù)路線發(fā)展。月面擁有豐富的太陽能，實(shí)現(xiàn)太陽能的綜合利用是各階段月球基地共同的目標(biāo)；月壤中含有豐富的氦-3資源，是核聚變反應(yīng)清潔、高效、安全的原料，隨著月球基地規(guī)模的不斷擴(kuò)大和核能技術(shù)的不斷完善，其能源系統(tǒng)最終將發(fā)展至核聚變階段，而核裂變系統(tǒng)為中間過渡類型；③初級(jí)階段月球基地將以太陽能為主要能源，其能源系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)選太陽能利用效率高的設(shè)計(jì)方案，光伏、光熱及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)面臨的共性問題是解決太陽能的高效存儲(chǔ)，這也是初級(jí)階段月球基地能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

3 太陽能存儲(chǔ)技術(shù)分析

太陽能的存儲(chǔ)類型沒有嚴(yán)格的定義，本文根據(jù)儲(chǔ)能材料工作原理將月球基地太陽能的存儲(chǔ)分為電存儲(chǔ)、熱存儲(chǔ)和化學(xué)存儲(chǔ)3類。

電存儲(chǔ)采用儲(chǔ)能裝置將太陽能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲(chǔ)，空間領(lǐng)域主要采用的儲(chǔ)能設(shè)備為蓄電池。初級(jí)階段的月球基地在月夜期間尚不具備滿負(fù)荷工作的能力，但仍需保持基本的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理和通信等功能，電功率至少為1.5 kW，即月夜期間月球基地的電量需求至少為500 kWh。當(dāng)前空間應(yīng)用的鋰離子蓄電池比能量在150 Wh/kg左右，即使不考慮各種效率損失，存儲(chǔ)500 kWh的電能需要蓄電池的重量接近3.4 t，對(duì)于初級(jí)階段的月球基地而言，這是難以接受的重量資源。考慮當(dāng)前電池技術(shù)的發(fā)展，短期內(nèi)難以有快速的提升，因此電存儲(chǔ)不是月球基地太陽能存儲(chǔ)的經(jīng)濟(jì)方案。

熱存儲(chǔ)采用儲(chǔ)熱材料將太陽輻射以熱能的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，高熱容、性能穩(wěn)定的儲(chǔ)熱材料是其應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，熱存儲(chǔ)技術(shù)在地面已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用[31]，新型的儲(chǔ)熱材料也不斷得以開發(fā)和應(yīng)用[32-33]，但仍無法廣泛應(yīng)用于空間領(lǐng)域，最主要的原因是重量問題。最新研制的鋁硅合金其儲(chǔ)熱密度可達(dá)500 kJ/kg[34]，不考慮熱電轉(zhuǎn)換效率，僅存儲(chǔ)月球基地月夜期間電量需求相當(dāng)?shù)臒崃浚辽傩枰?.6 t儲(chǔ)熱材料。盡管不少學(xué)者也提出利用月壤儲(chǔ)熱的設(shè)想，但需要對(duì)月壤進(jìn)行改造，通過添加材料增加其導(dǎo)熱系數(shù)或增大其熱容，以當(dāng)前的科技水平不可能在月面開展?？梢?，熱存儲(chǔ)方式也無法解決月球基地的太陽能高效存儲(chǔ)問題。

化學(xué)存儲(chǔ)可以將太陽能直接轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)能物質(zhì)的分子化學(xué)能，通過化學(xué)鍵的斷裂與重組實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放?；瘜W(xué)存儲(chǔ)因具有儲(chǔ)能密度高、能量損失小、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，被視為最具有發(fā)展前景的太陽能存儲(chǔ)方式[35]。能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)存儲(chǔ)的反應(yīng)式有多種[36-39]，其中氫的氧化還原反應(yīng)具備較多優(yōu)點(diǎn):①氫氣與氧氣可以通過燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；②氫的能量密度高達(dá)143.3 MJ/kg，理論上共需要113 kg的氫氣和氧氣完全反應(yīng)就能夠提供500 kWh的能量；③氧氣及反應(yīng)過程生成的水可作為航天員的應(yīng)急生存保障。

氫氧循環(huán)反應(yīng)的關(guān)鍵在于高效的水解技術(shù)，使用水作為唯一的原料能夠同時(shí)生產(chǎn)氫氣和氧氣，保證物質(zhì)的循環(huán)利用。從原理及實(shí)現(xiàn)途徑上分析，有望被月球基地采用的是電解法和熱化學(xué)法。1 mol水分解為氫氣和氧氣需要消耗237 kJ的能量，采用電解水的方式會(huì)大幅增加月球基地的電能需求；相比而言，熱化學(xué)法僅依靠熱能即可實(shí)現(xiàn)水的分解，采用該技術(shù)可提高月球基地的能源利用率、使不同類型的能源分配更優(yōu)化。熱化學(xué)水解法由美國(guó)學(xué)者Funk等[40]于1960年首次提出，其原理是將水解分成一個(gè)或幾個(gè)單獨(dú)吸熱和放熱的熱化學(xué)反應(yīng)，分步驟分別制造氫氣和氧氣。過去幾十年間，研究學(xué)者已經(jīng)提出了300多個(gè)循環(huán)反應(yīng)式[41]，美國(guó)能源部曾對(duì)多種反應(yīng)式進(jìn)行過綜合評(píng)測(cè)，篩選出9個(gè)反應(yīng)體系進(jìn)行推薦[41]，其中氧化鋅循環(huán)的制氫效率可達(dá)45%，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[42-43]。該循環(huán)中金屬鋅在250℃左右環(huán)境中與水反應(yīng)，生成氧化鋅并產(chǎn)生氫氣，過程中釋放熱量；第二步是個(gè)吸熱反應(yīng)，需要1 500℃以上的高溫環(huán)境，氧化鋅分解生成金屬鋅和氧氣。由于兩步反應(yīng)的溫度環(huán)境不同，使用同一個(gè)反應(yīng)器可以避免反應(yīng)物的轉(zhuǎn)移、降低系統(tǒng)質(zhì)量，但要求反應(yīng)器具備不同溫度的調(diào)控能力；為提高水解效率，反應(yīng)物需保持粉末狀態(tài)，精準(zhǔn)控制溫度和反應(yīng)時(shí)間才能防止其出現(xiàn)熔融；此外，為避免逆反應(yīng)的發(fā)生，反應(yīng)器需填充惰性氣體保護(hù)。這些都是氧化鋅水解循環(huán)反應(yīng)需要解決的問題，除理論研究外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在2000年前后開始了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[44]，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了水解循環(huán)，為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

可見采用熱化學(xué)法實(shí)現(xiàn)水的分解、利用氫氧化學(xué)反應(yīng)解決太陽能的存儲(chǔ)和利用是初級(jí)階段月球基地能源系統(tǒng)最佳技術(shù)選擇。

4 能源系統(tǒng)初步方案

4.1 方案概述

針對(duì)初級(jí)階段月球基地提出了一種以太陽能為主能源的能源系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)由光伏發(fā)電設(shè)備、燃料電池設(shè)備、水解制氫設(shè)備及能源綜合管理設(shè)備等4大部分組成，其系統(tǒng)運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 能源系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Illustration for operating principle of the energy system

光伏發(fā)電設(shè)備在月晝期間工作，直接為月球基地提供電能，剩余的電能可存儲(chǔ)在蓄電池中或用于水的電解；燃料電池設(shè)備由電池堆芯、氫氧儲(chǔ)罐、水儲(chǔ)罐及管路組成，該設(shè)備在月夜期間工作，為基地提供電能和熱能，其中燃料電池選用質(zhì)子交換膜電池，堆芯具備逆反應(yīng)電解水的能力；水解制氫設(shè)備由太陽能集熱設(shè)備和水解反應(yīng)器組成，集熱設(shè)備月晝期間收集太陽能并制造水解反應(yīng)所需的高溫環(huán)境，水解反應(yīng)器將水分解為氫氣和氧氣；能源綜合管理設(shè)備對(duì)月球基地能源系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理和調(diào)度。

光伏發(fā)電設(shè)備和燃料電池存在備份接口，月晝期間光伏設(shè)備剩余的電能提供給燃料電池堆芯，通過逆反應(yīng)可電解部分水，輔助制造氫氣和氧氣；水解制氫設(shè)備與燃料電池存在循環(huán)接口，燃料電池將氫氧反應(yīng)生成的水提供給水解設(shè)備，后者再將水解產(chǎn)生的氫氣和氧氣反供前者。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

月球基地能源系統(tǒng)是多專業(yè)、多學(xué)科的集成，其中制氫和燃料電池工作過程是實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用及能源連續(xù)輸出的關(guān)鍵，能源系統(tǒng)涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面。

1）熱化學(xué)制氫設(shè)計(jì)

雖然熱化學(xué)制氫的原理簡(jiǎn)單，但滿足高效、穩(wěn)定、安全的水解化學(xué)反應(yīng)式數(shù)量不多，確定相對(duì)成熟可靠的反應(yīng)式是制氫設(shè)計(jì)的首要工作；熱化學(xué)反應(yīng)包含吸熱和放熱兩個(gè)步驟，為控制反應(yīng)的方向、提高制氫效率，精確的溫度控制是必要的保障條件，這需要完善的熱設(shè)計(jì)技術(shù)；為提高化學(xué)反應(yīng)的充分性，保證工作的連續(xù)性，需解決循環(huán)試劑的燒結(jié)問題，制氫設(shè)備需保證試劑的循環(huán)反應(yīng)能力，設(shè)備的研制和優(yōu)化也是項(xiàng)重要的研制工作。

2）燃料電池設(shè)計(jì)

當(dāng)前燃料電池在我國(guó)空間領(lǐng)域尚沒有應(yīng)用先例，月球基地燃料電池的設(shè)計(jì)需解決多項(xiàng)技術(shù)瓶頸，提高系統(tǒng)的可靠性、完善系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)并開展地面可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)是后續(xù)實(shí)際應(yīng)用過程中的首要工作；燃料電池的電堆正向運(yùn)行能夠?qū)溲醴磻?yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，逆向運(yùn)行能夠電解水生產(chǎn)氫氣和氧氣，多功能、輕小型電堆的研制是燃料電池的設(shè)計(jì)核心；開展高效的儲(chǔ)氣技術(shù)研究，降低氫氧存儲(chǔ)設(shè)備的重量是燃料電池應(yīng)用研究的重要內(nèi)容。

3）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)月球基地任務(wù)分析，確定能源系統(tǒng)中不同類型能量的分配、實(shí)現(xiàn)內(nèi)部指標(biāo)和資源的合理匹配是能源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容；開展系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低能源系統(tǒng)重量、實(shí)現(xiàn)功能備份、提高系統(tǒng)可靠性是總體設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要內(nèi)容。

4）系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

能源系統(tǒng)輸出的電能直接滿足月球基地設(shè)備工作的需求，其輸出的熱能主要提供人員和設(shè)備的溫度保障，能源系統(tǒng)與熱控系統(tǒng)存在能量接口必須進(jìn)行一體化論證和設(shè)計(jì)，完善系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)與熱控系統(tǒng)間能量的合理利用；此外，應(yīng)急模式下能源系統(tǒng)可提供航天員生存所需的水和氧氣，能源系統(tǒng)需設(shè)計(jì)與之相關(guān)的接口、并滿足該模式下的任務(wù)需求。

5 結(jié)束語

建設(shè)月球基地是人類探索太空、拓展生存空間的必要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)人類社會(huì)有深遠(yuǎn)的意義。能源系統(tǒng)是月球基地功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，在初級(jí)階段月球基地以太陽能作為主能源是較優(yōu)的技術(shù)選項(xiàng)，而其中的關(guān)鍵是解決太陽能的高效存儲(chǔ)問題。

本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)太陽能綜合利用的能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，適用于初級(jí)及中級(jí)階段月球基地。通過對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的分析及研究，旨在完善我國(guó)月球基地能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逐步擴(kuò)寬研究?jī)?nèi)容及深度，最終全面掌握核心設(shè)計(jì)技術(shù)，可為未來月球基地的設(shè)計(jì)和建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。