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人民網科技頻道 特別策劃    編輯:趙竹青

編者按:

  
眾所周知,月球是一顆寂靜荒涼的星球,沒有生命、沒有空氣、晝夜溫差極大、輻射強烈、月表凹凸不平且布滿了大大小小的撞擊坑,可以說,月球上是一個荒蕪蒼涼的世界。那麼人類去月球做什麼呢?

  
月球上沒有氧氣和化石燃料,沒有河流、潮汐,沒有風,也沒有地熱,我們將怎樣維持月球基地的能源供應呢?

  以下內容將為您揭開謎底……
【進入專題】 【 月球基地系列策劃】

 

【上期回顧:暢想月球基地】  【下期預覽:月球生存大挑戰】


  月球有豐富的礦藏,月球岩石中含有地球中全部元素和60種左右的礦物,其中6種礦物是地球沒有的。而地球上最常見的17種元素,在月球上也比比皆是。

 
  氦-3

  可作為核電站的能源,不僅可用於地面核電站,而且特別適合宇宙航行,可滿足地球能源需求達萬年以上。
 利用氦-3設想
 第一類設想是在月球上建立氦-3採掘廠,將採掘加工出來的氦-3運往地球發電。【詳細】

 第二類設想是在月球上建立氦-3核聚變發電廠就地發電,並設法傳送回地球使用。【詳細】

 第三類設想是直接用氦-3,或者是採掘加工氦-3過程中產生的氫氣作火箭和飛船的燃料。【詳細】

  

  僅月面表層5厘米厚的沙土就含有上億噸鐵,月球表層的鐵便於開採和冶煉,月球上的鐵主要是氧化鐵,隻要把氧和鐵分開就行。月海玄武岩分布廣泛,其中,可開發利用的鈦鐵礦(FeTiO3)的總資源量約為1500萬億噸。

  鈦金屬

  中科院院士歐陽自遠介紹,月球上還有一種礦物質,叫鈦。“鈦金屬是一種輕金屬,而月球上的儲量取之不盡,用之不竭,比我們攀枝花的鐵礦裡邊含的鈦還要多。它分布的面積大約是中國版圖的大小,所以月球上這種資源是極其豐富的,當然還有很多其他各種資源。”

  其他金屬

  月陸區廣泛分布的斜長岩富含硅、鋁、鈣、鈉等元素﹔月球還蘊藏有豐富的鉻、鎳、鉀、鎂、銅等礦產資源,將會為人類社會的可持續發展做出貢獻。

  稀土

  月球上稀有金屬的儲藏量比地球還多。克裡普岩是月球高地三大岩石類型之一,因富含K(鉀)、REE(稀土元素)和P(磷)而得名,通過模式計算,僅在風暴洋區克裡普岩中稀土元素的資源量約為225億∼450億噸﹔克裡普岩中還蘊藏有豐富的釷和鈾,也是未來人類開發利用的重要礦產資源之一。
 


  無論是建設臨時性月球前哨站、永久性月球前哨站,還是月球基地,都需要有足夠的能源維持它的運轉。月球上沒有氧氣和化石燃料,所以不能使用汽油或煤油發動機,也不能使用燃氣輪機﹔月球上沒有河流、潮汐,也沒有風,所以不可能利用水流、潮汐和風力發電﹔月球是個“死”的天體,已經不再有活火山,也不可能利用地熱提供能源。那麼月球基地的能源供應依靠什麼呢?

  月球能源的主要形式有兩種:一個是核能,另一個是太陽能。
 

太陽能發電廠

利用氦-3發電


  


 


  由於月球上沒有大氣,太陽光不會被散射、吸收和遮蓋。每年達到月球上的太陽能光輻射大約為12萬億千瓦、相當於地球全年能耗量的2.5萬倍。如果供應月球基地用能,直接利用太陽光的熱交換器,可200~600℃的溫度,可以建立太陽能電站,可用微波傳送到地球,使地球長期獲得豐富、穩定的電能。

  按太陽能能量密度為1.353千瓦/平方米計算,假設在月球上使用目前光電轉化率為20%的太陽能發電裝置,則每平方米太陽能電池每小時可發電2.7千瓦時,若採用1000平方米的電池,則每小時可產生2700千瓦時的電能。

  由於月球自轉周期恰好與其繞地球公轉周期的時間相等,所以月球的晝夜各約為14天,月球上的一天相當於地球的一個月,這樣隻要在月球的白天,月球基地就可以獲得豐富的太陽能。科學家認為,如果在月球表面建立全球性的並聯式太陽能發電廠,就可以獲得極其豐富而穩定的太陽能,這就可以解決了未來月球基地的能源供應問題。【詳細】
 

  “氦-3”原本大量存在於太陽噴射出來的高能粒子流(太陽風)中,由於月球上幾乎沒有大氣和磁場的保護,高能粒子流直接降落到月面,久而久之沉積在月面的沙粒和岩石中,其總量有100~500萬噸。全世界每年能耗總量隻需要用100噸“氦-3”發電就夠了。如果能進行大量開發,不但能解決月球開發所需能源,還可以為21世紀地球上的可持續經濟發展提供安全無污染(因“氦-3”無中子輻射)的核能原材料。

  整個月球表面幾乎都被月壤覆蓋 ,這些土壤長期接受太陽的照射,富集由太陽風粒子直接注入的揮發性化學元素和同位素,在這些稀有氣體中就有大量的3He。 據估算,月壤中3He的資源總量可達100萬-500萬噸。3He是一種清潔、安全和高效的核聚變發電的燃料。據專家計算,如果採用D-3He(氘和3He進行核聚變反應產生電能)核聚變發電,美國年發電總量僅需消耗25噸3He﹔中國1992年的年發電總量隻需8噸3He,全世界一年有100噸3He就夠了。開發利用月壤中的3He將是解決人類能源危機的極具潛力的途徑之一。 雖然地球上的3He儲量極為希缺,但月壤中富含3He。【詳細】
 

  大約50年后,人類目前廣泛使用的傳統能源煤、石油和天然氣將面臨嚴重短缺的局面。嚴峻的能源危機迫使人類將目光轉向浩瀚的宇宙,而月球作為地球的近鄰是人類尋找地球以外能源的首選目標。以上兩種能源不僅可以用於維持月球基地本身的運轉,更是解決地球的能源危機的重要途徑。
 

  建設月球前哨站、永久性月球基地或月球村,都離不開地月運輸和月面運輸。目前,空間運輸是個成本高昂的活動,怎樣實現低成本運輸,是航天工程師和月球科學家共同關注的問題。

  建立月球基地、開發月球資源的關鍵,是將空間運輸成本降下來。

  方法 使用傳統的運載火箭向月球運輸人員和物資

  缺點:需要克服巨大的地球引力,成本高昂。

  實例:巨大的土星5號運載火箭起飛質量近3000噸,消耗2600多噸的推進劑,隻將約16噸的登月艙送到月面,最后返回地球的指令艙僅6噸左右。其執行飛行任務時,消耗的巨大能量大部分用來運輸火箭推進劑,而不是“有效物資”。【詳細】


  方法 在月球上生產推進劑 ,並用於地月運輸

  優點:解決“有效運輸”問題,但目前隻是一個思路

  原理:如果將飛船發射到月球軌道或者位於拉格朗日點的“中轉站”,然后在月球軌道上加注在月球上生產的推進劑,飛船離開地球時就不再需要攜帶用於月面著陸和起飛的推進劑,也不用攜帶用於從月球軌道返回地球的推進劑,隻需要攜帶奔月過程中軌道修正和到達月球上空“制動”所需的少量推進劑,這部分推進劑隻佔飛船重量的較小比例,因此飛船的質量將成倍減輕。由於飛船質量大大減輕,用來將飛船從近地軌道推入地月轉移軌道的推進劑也將成倍減少,推進系統的結構質量也將減輕,這樣將大大減輕運載火箭的“負擔”。航天科學家經過計算表明,如果採用這種方式,運載火箭的運載能力隻需要原來的1/4∼1/3。【詳細】

 

來源:人民網科技 (責任編輯:趙竹青)
 
 
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