【智科院導讀】：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。

一個正常運作的月球基地的關鍵因素之一是電力供應。在美國的桑迪亞國家實驗室，一個專門為軍事基地建造微電網(wǎng)的研發(fā)實驗室，正在與美國宇航局合作，設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入更遠的太空的技術試驗場。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施，這些設施將同時工作以減少來自地球的供應需求。

當然，為月球基地設計一個微電網(wǎng)與為地球上使用的類似設置之間有一些區(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)的家庭負荷，桑迪亞實驗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荷中心高一點，因為它必須在兩個負荷點之間跨越幾公里“。他補充說，”在更高的電壓下推送電力會更容易，因為它需要更少的電流，使之更容易一點?！?/p>

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)將被設計為自給自足，但 “連接線的存在主要是為了實現(xiàn)冗余。拉什金說：”如果棲息地的一個光伏發(fā)電機發(fā)生意外，它可以輸入電力來維持這些負載，這對維持人們的生命至關重要。

另外一個研究人員補充說，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鍵負載服務的，而這條線路發(fā)生故障，就有機制來重新分配電力，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，工程師們還預計將有大量的電力電子設備和分布式能源資源。拉什金說：”電力電子技術本質(zhì)上相當于一個齒輪箱。”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成分。但是研究人員的想法是，當有更多的太陽能發(fā)電和負載需求時，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，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展微電網(wǎng)試驗臺進行。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行大量的控制設計分析。”

一旦他們有了控制，阿什金的團隊將把它交給下一個團隊，在美國桑迪亞國家實驗室的分布式能源技術實驗室進行測試。有了電源硬件在環(huán)能力，他們可以在模擬環(huán)境中測試物理設備，如阿什金團隊建造的控制器，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施”，以建立更好和更有彈性的系統(tǒng)?！?/p>