月球新篇章：揭秘核能技术如何推动太空竞赛

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月球上的核反应堆将解决太空探索当前的先有鸡还是先有蛋的困境：究竟是先建立电力系统还是需求系统。

美国和俄罗斯（后者与中国合作）正在重燃70年前的太空竞赛，计划在月球上建造第一个核反应堆。这两个项目都旨在为新的需求系统提供动力，对‘禁区’和未来矿产主导权的担忧让各方急于争先。

然而，时间表非常具有挑战性；美国交通部长兼代理NASA管理员肖恩·达菲在8月份宣布，美国计划在2030年前将核反应堆送上月球，比俄罗斯和中国的计划提前了五年。

美国计划中的100kW反应堆将为阿尔忒弥斯基地营提供动力，但业界对能否按时克服重重工程障碍表示怀疑。 俄罗斯和中国将面临同样的障碍，尽管时间压力相对较小，以实现他们为联合国际月球研究站供电的计划。

为月球供电的历史

在月球上使用核能并不是什么新鲜事。自1969年阿波罗12号任务开始以来，放射性同位素热电发生器（RTGs）就成为月球操作的一部分，当时使用含有钚-238的RTGs为留在月球表面的科学仪器供电。

从那时起，RTGs一直是主要的电源，为超过25个美国航天器供电。RTGs 为先锋10号和先锋11号供电，分别是首批飞越木星和土星的航天器，以及1994年首个经过太阳极的尤利西斯轨道器。RTGs还为包括毅力号和好奇号在内的火星探测车供电，以及被认为是迄今为止最远的人造物体的旅行者探测器。

放射性衰变产生的热量通过热电材料转化为电能，这些材料直接将温差转化为电压。系统简单、轻便且可靠。

然而，RTGs难以扩展。钚-238——最常见的电源——稀有且昂贵，放射性衰变的能量是有限的。

Power Technology母公司GlobalData的分析师穆罕默德·齐亚乌丁表示，还有额外的功率密度限制问题：“RTGs只能为其重量产生少量电力——通常每公斤仅约2-3瓦。这对于航天器的仪器来说是足够的，但对于月球基地或推进系统所需的千瓦或兆瓦级别来说就不够了。”

除了放射性同位素热电机（RTGs），还有两种其他的月球探索供电方案：太阳能和燃料电池。

太阳能面临一个直接的障碍：美国、俄罗斯和中国都将目光投向月球阴暗寒冷的南极；那里的丰富水冰可以用来开发月球基础设施，支持宇航员并制造未来的商品和资源。

另一方面，燃料电池在太空探索中发挥了重要作用，曾在双子星和阿波罗任务中使用，最近还在2011年最终降落的航天飞机上使用。该技术的副产品是水，且具有轻量化和高能量密度的优势，使其具备可扩展性。

然而，有限的燃料需要定期补给，交付中的小问题可能导致基地失去电力，从而失去热量和基本生命支持系统。燃料电池也会退化，因此系统最终会失效。

在历史选项被排除后，核裂变成为了最可行、最持久的解决方案。

把核能放到月球上是可行的，但并不简单。

美国能源部（DoE）的一位发言人向Power Technology解释说：“月球反应堆将通过火箭完全建造后运输到月球，这将带来尺寸和重量的限制。在月球表面着陆、激活和操作反应堆将是一个全新的挑战，因为环境非常独特。”

在2022年6月，能源部的爱达荷国家实验室向X-Energy、韦斯汀豪斯和洛克希德·马丁授予了初步设计合同，以开发一个功率为40kW、重量可达六吨的反应堆设计。然而，最终设计将为100kW，并且必须适配于一个可容纳最多15吨的人类交付级着陆器。

因此，效率是关键所在。NASA已明确其设计将采用布雷顿循环系统来进行热排放和功率转换，包括一个或多个回路，每个回路将包含涡轮发电机、压缩机和热交换器。它还可能包括控制流体流动的泵和阀门，但机械部件越少，发生故障的机会就越小，但增加的质量和对电源的消耗可能会影响核系统的效率。

一旦工作流体通过涡轮膨胀，它必须被冷却和压缩以重新启动循环；废热可能通过辐射冷却排放，排出的气体将经过一个大型散热器，将废热散发到太空中。

大多数核反应堆的效率约为36%（尽管一些，如氦冷却反应堆，可以达到40%以上）。因此，废热是显著且不可避免的，而且由于太空中缺乏空气，缺乏对流，使得废热的排放变得困难。洛克希德·马丁航天公司业务发展高级经理凯瑞·蒂蒙斯表示，这是一个重要的工程难题，也是我们关注的重点。

“热排放和系统热管理是洛克希德·马丁一直关注的核心技术，因为核系统确实会变得非常热。我们将这些热量转化为电能，但我们也必须排放一部分，”她说。

核反应堆通过加热冷却剂产生气体，气体再驱动涡轮发电。航空航天和核工程师乌古尔·古文在《电力技术》上建议“使用氦冷却核反应堆，因为氦是一种惰性气体，性能稳定，作为冷却剂使用起来很方便。还必须使用合适的核燃料，或者为了产生大量电力，可以使用含六氟化铀的气体核心反应堆。”

月球的核能环境

除了效率，月球的环境还带来了一系列实际挑战，包括重力减小、宇宙辐射和缺乏大气。

古文解释说：“月球上的重力大约是地球的六分之一，因此工程师必须确保反应堆在低重力环境中稳定工作。此外，它必须得到适当的屏蔽，因为月球缺乏大气的保护，而大气可以防止小陨石的撞击。”

除了这些已经显著的威胁外，反应堆还必须承受月球极端的热循环和磨蚀性尘埃，而且不需要定期维护。

保护反应堆可能涉及原位月壤防护，这将避免增加发射重量。美国宇航局 报告称，这可能涉及挖一个洞并部分埋入反应堆，或建造称为土堤的屏障，但指出，屏蔽区域在退役和处置过程中最终会面临由于辐射水平较高而带来的复杂问题。

反应堆在部署后需要承受艰难的环境。能源部发言人表示：“宇航员穿着宇航服无法进行同样频繁的维护。因此，组件，特别是传感器和控制等电子元件，需要设计成能够在不更换的情况下持续多年。”

美国2030年的雄心以及俄罗斯和中国2035年的计划都在努力实现同一个最终目标：为月球基地提供能源。除了维持人类生活所需的电力和供暖外，核能还将用于为探索、资源利用和基础设施维护与发展充电月球地面车辆。

能源部发言人表示：“2030年是一个雄心勃勃但可实现的目标。月球上的核反应堆将通过为恶劣环境中的研究和工业操作提供强大的电力，促进科学发现和经济机会。能源部期待继续与联邦合作伙伴、高级反应堆开发者以及蓬勃发展的美国商业航天产业合作，以实现美国的科学、探索和国家安全目标。”

与俄罗斯和中国的竞争让美国的国家安全目标显得尤为重要，但随着包括航天公司SpaceX在内的国际领先公司的进展，美国可能会保持其优势。

Guven指出，1960年代阿波罗任务的组件和制造技术——“去月球的更经典、经过验证的方法”——如今已不存在。相反，SpaceX的星际飞船火箭系统（将作为美国宇航局阿尔忒弥斯III的人类着陆系统使用）复杂得多，需要多艘加油船。

然而，他表示：“如果他们能实现这一目标，从载人任务的角度来看，这远远超过了俄罗斯和中国目前的技术。”

然而，这种乐观情绪需要谨慎，因为它需要持续的财政支持。虽然能源部和洛克希德·马丁都对美国在竞赛中的领先地位表示乐观，但Guven警告说：“如果美国宇航局项目的支出和政治支持没有得到改善，中国很有可能在将核反应堆送上月球方面超越美国。”

确实，阿尔忒弥斯三号的发射进度出现了延迟，原定于2026年将两名宇航员送上月球，但现在预计将在2027年实现，原因是猎户座飞船的热盾出现了问题。

相比之下，中国的嫦娥任务取得了显著成功，而俄罗斯仍在使用许多老旧技术，这些技术在早期的太空竞赛中取得了许多里程碑，包括第一位进入太空的人（尤里·加加林，1961年）、第一位进入太空的女性（瓦莲京娜·捷列什科娃，1963年）和第一次太空行走（阿列克谢·列昂诺夫，1965年）。

齐亚丁提到：“俄罗斯提供TOPAZ遗产专业知识，该项目将吸引来自两国的全球核电巨头，如俄罗斯国家原子能公司、OKBM Afrikantov、中国国家航天局和中国核工业集团，”嫦娥七号和八号计划在2026年至2028年间进行前期测试。

中国还拥有一份完整的月球地图，提供了关于可用矿物和资源的详细信息。“他们已经绘制了所有氦-3资源的地图，这是一种非常重要的材料，特别是如果你想为地球开发核聚变能源，”古文说。

他总结道：“俄罗斯使用较旧但可靠的技术，而中国使用较新但未经测试的技术；我认为这种组合是有可能成功的，但美国仍然可以凭借正确的态度，更重要的是，足够的预算来超越他们。”