Как построить энергосистему на Луне

Первые набеги на Луну использовали одноразовые технологии, предназначенные для работы в течение двухнедельного периода лунного дневного света, а затем для того, чтобы погибнуть в морозе такой же долгой ночи. Но чтобы поддерживать колонию, нужно сделать все, чтобы пережить смертельные крайности. Днем лунная температура на экваторе может достигать 120 °C. Ночью температура падает до -220 °C, холодная, как на Плутоне. Без нагревателя техника выходит из строя. Структурные компоненты становятся хрупкими и могут треснуть из-за механических напряжений этого огромного перепада температур. Без солнечного света солнечные панели становятся бесполезными, их широкое пространство служит только для отвода тепла. Батареи теряют емкость, а их жидкие компоненты замерзают, что требует энергозатратного цикла, когда большая часть энергии батарей используется только для того, чтобы нагреться.

На пути к Луне космический корабль также сталкивается с резкими перепадами температуры: затененная сторона на сотни градусов холоднее, чем солнечная сторона. Комбинация изоляции, отражения и энергии, вырабатываемой солнечными панелями, поддерживает весь космический корабль в приемлемом диапазоне температур на протяжении всего полета. Только после того, как космический корабль приземлится, начинается обратный отсчет до тех очень сложных лунных ночных условий.

Большинство миссий в дальнем космосе, таких как Вояджер и Новые горизонтыи долговременные зонды лунной поверхности, такие как Пакет экспериментов на поверхности Луны Аполлона (ALSEP), выжить при ограниченном солнечном свете, используя радиоизотопные тепловые генераторы. Эти генераторы могут стабильно производить тепло в течение десятилетий, но из-за того, что требуется высокорадиоактивное топливо, они создают проблемы с безопасностью, источниками и одобрением регулирующих органов. Солнечная энергия была бы лучшим решением, если бы она могла обслуживать экстремальные условия лунной поверхности.

Мы и наши коллеги из Астроботик, небольшое предприятие из Питтсбурга, основанное в 2007 году, поставило перед собой задачу сделать космос доступным для всего мира. Компания наиболее известна своим парком лунных посадочных модулей, в который входят Peregrine, первая миссия которого запланирована на 2023 год, и Griffin, который должен транспортировать марсоход NASA Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) на южный полюс Луны в 2024 году. Теперь компания намеревается решить проблему с электроэнергией на Луне с помощью службы, которая может собирать солнечную энергию на полюсах, где солнечный свет никогда не бывает далеко, и распределять ее по местам, погруженным во тьму.

Система, которую мы собираемся построить на Луне, получившая название LunaGrid, будет состоять из сети солнечных электростанций или узлов, соединенных кабелями передачи. Эта сеть предназначена для доставки электроэнергии туда, где она необходима, с помощью парка роботизированных марсоходов. Astrobotic планирует продемонстрировать систему первого поколения уже в 2026 году, а первая полноценная LunaGrid заработает к 2028 году на южном полюсе Луны.

Почему там? Потому что в рамках своей программы «Артемида» НАСА планирует высадить астронавтов на Луну в 2025 году, а к 2030 году создать постоянную базу вблизи южного полюса Луны. холодный. В этих естественных холодных ловушках можно найти водяной лед. Этот лед мог обеспечить воду для питья и, после прохождения электролиза, кислород для дыхания. Другой продукт такого электролиза, водород, вместе с кислородом, может быть однажды использован для заправлять ракеты. Базу Артемиды придется строить рядом с такими постоянно затененными областями. Простое исследование этих кратеров потребует гораздо больше энергии, чем та, которая уже требуется для поддержания операций базы Артемиды. Ни одна из миссий Аполлона не пыталась произвести достаточно энергии, чтобы пережить лунную ночь. Все эти миссии выполнялись в лунное время суток, чтобы астронавты могли работать при тепле солнца. Топливные элементы, а не солнечные элементы, обеспечивали электроэнергию, потому что солнечные элементы 1960-х и 1970-х годов имели непомерно высокое отношение веса к мощности. Но технологические достижения последних нескольких десятилетий сделали солнечные панели намного легче.

Ряд небольших лунных роботов, таких как американский ALSEP, советский У него есть код марсоход и недавний китайский Изменять посадочные модули выживали в течение месяцев или лет, используя атомная энергия. Они добились этого с помощью радиоизотопного нагревателя, который использует радиоактивность для непосредственного нагрева предметов, и радиоизотопного термоэлектрического генератора, преобразующего радиоактивное тепло в электричество.

Реакторы деления были предложены для поддержки миссии Artemis. Но эта технология сталкивается с теми же проблемами, что и более ранние ядерные альтернативы: любой подход, который включает в себя запуск радиоактивных полезных нагрузок, должен будет преодолеть значительные препятствия безопасности и нормативные требования для запуска. Astrobotic не исключает атомную энергетику — она сотрудничает с Вестингауз разработать ядерные реакторы для совместный контракт НАСА и Министерства энергетики. Но для питания базы Artemis в первые годы компания ожидает, что НАСА примет полностью работающую на солнечной энергии LunaGrid от Astrobotic. Вот как мы и наши коллеги разрабатываем его для работы.

CubeRover разворачивает свою солнечную панель, затем поворачивает ее в вертикальное положение. Джон МакНил

Лунная энергосистема

LunaGrid будет состоять из модульной сети стационарных электростанций и мобильных зарядных станций. Стационарные электростанции будут соединены электрическими кабелями. Такие прямые электрические соединения предпочтительнее, чем микроволновая или лазерная передача энергии, которые неэффективны и потенциально могут представлять опасность для космонавтов, работающих в этом районе.

Станции будут развернуты вблизи южного полюса Луны, где залитая солнцем область достаточно близка к ночной области, чтобы гарантировать, что по крайней мере некоторые из этих солнечных станций всегда будут обеспечивать электроэнергией. Неподалеку находится постоянно затененное дно кратера, покрытое водяным льдом. Конечно, LunaGrid может работать и на северном полюсе, если там когда-нибудь будет построена база.

На Земле солнечные панели обычно устанавливаются на горизонтальной или почти горизонтальной поверхности. Это прекрасно работает, когда солнце поднимается высоко в небе в полдень. Но на лунных полюсах солнце всегда остается близко к горизонту. Таким образом, чтобы перехватить больше всего света, солнечные панели должны быть установлены вертикально.

На этом изображении Луны показан южный полюс [bottom]место, где всегда светит солнце и откуда солнечные станции всегда могут снабжать энергией. НАСА

Оборудование, которое мы планируем использовать, состоит из свернутых солнечных батарей, стоящих на базе вездехода. Эти вертикальные солнечные панели в развернутом виде достигают высоты более 20 метров над землей. Мобильная конструкция позволяет станции спускаться с посадочного модуля на поверхность Луны, выравниваться и перемещаться в отдаленные места, при этом управляя силовыми кабелями, длина которых может достигать 2 километров. Этот подход позволяет избежать необходимости в астронавтах или специально построенном роботизированном вездеходе для развертывания этого энергетического оборудования.

Выкатная солнечная батарея из аэрокосмический компания Перемонтироватьиз Джексонвилля, штат Флорида, в настоящее время используется на Международной космической станции. Стационарные электростанции будут использовать электродинамические крышки солнечных батарей от Космический центр Кеннеди НАСА, которые создают усилие, препятствующее оседанию частиц пыли на панелях. Чтобы преобразовать энергию от отдельных станций, чтобы ее можно было подавать в сеть, в системе используется электроника управления мощностью, разработанная в Исследовательском центре Гленна НАСА.

Чего станции не могут сделать сами по себе, так это распределить энергию в места, отделенные от этой сети. Это делается с помощью небольших роботизированных транспортных средств, называемых CubeRovers, которые служат проворными руками системы LunaGrid. Эти легкие модульные роботы имеют вес от 4,6 до 10,6 кг. Каждый из них может нести дополнительную полезную нагрузку примерно на половину своей массы и может пройти несколько километров за один лунный день. Это быстро для технологии космических вездеходов; Напротив, марсоход Spirit преодолел менее 10 км за более чем 2000 земных дней. CubeRovers будут использовать кабели для подключения энергоемкого оборудования поблизости (в пределах 100 метров) к сети.

Один CubeRover будет оставаться подключенным к каждой вертикальной солнечной батарее, когда он движется к желаемому месту назначения, а затем подключается к тому, что нуждается в энергии. Думайте об этом как о роботизированном удлинителе. CubeRover обеспечит беспроводную зарядку ближнего действия в любом месте, где что-то нуждается в питании. Например, НАСА Экскаватор для использования ресурсов на месте может перезаряжаться с помощью CubeRover в затененном месте раскопок, вместо того, чтобы тратить время и энергию на возвращение к узлу выработки энергии или к посадочному модулю с солнечными батареями.

Кабели электропередач, связывающие электростанции вместе, должны иметь длину не менее пары километров и служить годами. Одной из основных проблем является износ троса, когда его протаскивают по лунному реголиту — песку на поверхности Луны. В отличие от земной почвы, она не превратилась в гладко округлые частицы выветривания. Наоборот, он напоминает мелко осколки стекла — достаточно острые, чтобы разорвать слои обуви астронавта или разрушить вакуумные уплотнения контейнеров с образцами. И, поскольку пыль также электростатически заряжена ионами, поступающими от солнца, она имеет тенденцию прилипать к скафандрам, проникать внутрь посадочного модуля и засорять оборудование.

Другая проблема заключается в том, как передать питание оборудованию, которое в нем нуждается. Механически соединенные электрические соединения, такие как те, которые вы обычно подключаете к стене, имеют тенденцию забиваться пылью. Кроме того, для подключения потребуется ловкость, которую трудно достичь как роботам, так и людям в скафандрах. Поэтому Astrobotic разработала беспроводное зарядное устройство с использованием технологии, разработанной WiBotic, Bosch и Вашингтонский университет. Это не требует идеального выравнивания — просто близости. Чтобы быть более конкретным, катушки беспроводного зарядного устройства и приемника могут работать на расстоянии до 4 сантиметров с угловым смещением до 40 градусов.

Питание планет

В 2026 году, когда первый узел LunaGrid приземлится вблизи южного полюса Луны, мобильная электростанция выйдет из посадочного модуля Astrobotic, спустится на поверхность и проедет на расстояние до 2 км, наматывая кабель передачи энергии. идет. Затем станция развернет свою вертикальную солнечную батарею, образуя второй узел LunaGrid. Оба узла будут генерировать солнечную энергию, которую можно будет передавать между этими двумя станциями или отправлять на другое оборудование в этом районе с помощью CubeRovers, оснащенных беспроводными зарядными устройствами.

К 2028 году дополнительные миссии с аналогичным оборудованием будут связаны с этими первыми двумя станциями с еще большим количеством узлов, использующих аналогичные кабели для передачи энергии, образуя полноценную энергосистему, которая может немедленно обслуживать лунную базу «Артемида» или другое оборудование.

Поскольку LunaGrid использует вертикальные солнечные батареи, ее можно использовать везде, где высота солнца над горизонтом мала, например, на полюсах большинства других лун или планет. LunaGrid также может использовать горизонтальные или наклонные солнечные батареи на более низких широтах. Конечно, для лун или планет, находящихся дальше от Солнца, массивы должны быть больше или иметь больше узлов, но солнечная энергия, в принципе, могла бы стать подходящим источником энергии для исследования космоса даже на достаточно большом расстоянии от Солнца.

Представьте, что на дворе 2040 год, и работа на Луне — рутина и для роботов, и для людей. Возможно, будут существовать исследовательские деревни, мало чем отличающиеся от антарктических. И каждая новая лунная миссия, каждое новое предприятие может подключаться к постоянно расширяющейся сети, обеспечивающей энергией научные приборы, строительство ракет-носителей для дальнего космоса и производство необходимого им топлива.