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如何在月球上建加氢站?

北极星氢能网 来源:拉瓦锡1787  作者:氢能首席观察员  2020/8/11 10:24:43 我要投稿

北极星氢能网讯:如何在月球建加氢站?“纯化”和“压缩”将是未来大规模开发和利用月球氢能的关键技术。NASA与杰夫·贝索斯旗下Blue Origin,JAXA与丰田以及新进入的Skyre与Eta Space逐步形成了完整的链条。

(来源:微信公众号“拉瓦锡1787”ID:Hydrogen2050 作者:氢能首席观察员 )

8月初,总部位于美国康涅狄格州的清洁能源产品制造商Skyre宣布与太空低温流体管理技术厂商Eta Space建立合作关系,以开发月球上的第一座加氢站。

“与从地球上获得氢燃料相比,在月球几乎不需要任何资源就能产生氢燃料,这在一定程度上保证了可持续性。”

——SKYRE首席执行官 TrentMolter

随着航天技术的发展,由近地空间、月球空间及其转移空间构成的地月空间,将成为陆地和海洋之后,人类生存空间拓展的又一广阔领域。

氢从哪里来?

2020年7月23日,“天问一号”升空。在所有科学目标中,人们最感兴趣的是火星上是否存在液态水,以便探寻地外生命存在的可能性。除了生命指征外,水更是能量之源。

如果将水分解成氢气和氧气,然后液化就得到了火箭燃料。从太空运输能量消耗的角度看,地球处于地月空间的“引力深井”底部,由地球表面进入地月空间时能量消耗极大——以每秒数吨燃料计算。如果人类可以在月球轨道或月球基地停下来加注燃料,则起飞时不再需要随身携带所有推进剂,从而使航天器的发射重量更轻且成本更低。

在太空中创造可持续的燃料来源可以减少因过载升空带来的成本和危险。从欧洲航天局的“月球村”、中国的“嫦娥五号”乃至印度“月船”项目都肩负着寻找月球水冰的任务。2018年,正是通过分析印度第一个月球探测器“月船1号”收集的数据,美国国家航空航天局(NASA)的科学家才正式确认月球南极存在大量水冰。NASA估算,月球上可能有5.5亿吨的水冰可供采集,乐观情景下可能有10亿吨。如果可以有效地开采,那么月球将成为未来星际旅行的补给站,供人类前往火星和远方。

一个重要的问题是如何开采月球上的水冰?低温和辐射会对人体造成危害,并损坏敏感的设备。此外,月球土壤本身粗糙且参差不齐,容易粘在任何物体上,可能会破坏机器,并给穿着太空服的工作人员带来安全问题。即使克服上述障碍,开采月球上的水冰也并不容易。月球上的水是以混合在土壤中的微小冰粒的形式存在的,大部分分布在两极附近陨石坑内的永久阴影区域。在这里,40k(-233.15℃)的温度保持了水冰的稳定。

2009年,NASA检测了LCROSS任务中的土壤样品,除了5.6%的水冰(按重量计算)外,还有大量复杂的有机物和金属元素。因此,月球水冰的开采过程中最大的技术瓶颈在于“纯化”。杂质会使液态氧和液态氢燃料无法使用,甚至变得更糟,不稳定和易爆。

2018年,美国科罗拉多矿业学院George Sowers和其他十几位科学家在《Reach》杂志上发表了一篇论文,描述了一种提取月球水冰的方法。一个顶部有凹面镜的大塔竖立在火山口边缘,将阳光反射到极地的永久阴影区域——月球土壤被加热到220 K(-53.15℃)后水冰升华为水蒸气。覆盖在土壤上的帐篷会捕获这种水蒸气,并将其移动到大型铝制单元中冻结成冰。系统会将冰运送至净化设施中分解为氢和氧,并最终液化。美国加利福尼亚的OffWorld太空机器人公司表示,水冰开采有望成为一个完全自主的过程,由一群人工智能机器人来运行。

如何使用氢?

燃料电池已经成为实现月球和火星表面深度探测的最佳机动性解决方案。在纪念人类登月50周年活动中,剑桥大学化学工程和生物技术系的教授曾谈到,正是燃料电池技术的突破将人类送向了月球。

2019年5月,在马萨诸塞州波士顿举办的肯尼迪航天峰会上,杰夫·贝索斯的蓝色起源公司披露了登月计划。其中就包了用月球上的水冰,为“蓝色月亮”登月车提供燃料。与此同时,日本航空航天局(JAXA)联合汽车巨头丰田签署了为期三年的联合研究协议——下一代载人漫游车先驱项目。JAXA/丰田“漫游者”优化了加压舱和燃料电池电动汽车技术,它将比20世纪70年代NASA在阿波罗任务中使用的“登月车”更为先进。携带流动站的“漫游者”长6米,宽5.2米,高3.8米,大小约为两辆小型货车。13立方米的机舱将有足够的空间容纳两名宇航员。此外,丰田的最新燃料电池可使“漫游者”在一箱氢气情况下行驶1,000公里。

氢和太阳能都是能源。JAXA/丰田的工程师认为,燃料电池动力系统是最稳定的选择,它结合了高能量密度和更轻的重量和紧凑的尺寸。尤其是燃料电池质量约为锂离子电池的20%,体积小约25%。在月球上,发电产生的水可以作为冷却剂或饮用水再利用。

如何在月球建加氢站?

SKYRE基于一个专有的电化学平台把冰水电解成氢和氧,进而利用H2RENEW™压缩和液化氢成为燃料。这一过程的关键是要有一个强大的制冷系统来液化氢气,而这反过来又需要一个压缩机来对氢气进行压缩。

Eta Space首席技术官William Notardonato表示,“通常情况下,压缩氢这样的小分子是非常困难的,这使得传统的机械压缩机在这项任务中效率非常低,也不可靠,最终无法产生绿色氢。”

H2RENEW是一种固态系统,需要很少或不依赖物流来高效运行,没有移动部件,从而提高可靠性和成本效益。它符合所有的要求,是月球液化氢的理想装备。

5月15日, NASA发布Artemis Accords——一项关于在月球上采矿的法律框架,以Artemis 计划命名,拟在2024年将宇航员送回月球表面。该计划是美国在月球上建立永久基地的最重要一步。Artemis Accords允许美国在其他国家之前首先制定月球采矿的条款,并在不同的月球基地之间建立中立的“安全区”,以防止国家和公司之间的干扰和冲突。

50年来月球从不寂寞,未来更不会。

原标题:如何在月球上建加氢站?

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