月球黑夜长达14天，怎么保证不断电？哈工大团队提出极简方案，在月球上全天候不间断供电｜Planet

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利用烧结月壤储热，哈尔滨工业大学团队证实闭式布雷顿循环与温差发电器耦合系统可为未来月球基地提供全天候不间断电力。

月夜能源挑战

月球向任何希望在其上居住的人揭示了一个令人不安的真相：那里的一个夜晚大约持续354小时。当太阳最终落下，温度骤降至零下170°C以下，持续整整两个地球周。尽管光伏技术成熟可靠，但其无法在漫长的月夜发电的根本局限，成为实现永久性月球居住必须跨越的生死挑战。核能方案正在研发中，但涉及发射安全和热管理等复杂问题。那如果解决之道不在于分裂原子，而在于宇航员脚下的土壤本身呢？

创新储电方案

来自哈尔滨工业大学建筑与设计学院、复杂环境建筑研究院的梅洪元院士和费腾教授团队提出了一种将两种成熟技术巧妙结合、并充分利用月球原位资源的解决方案，发表于国际学术期刊Planet。该方案将闭式布雷顿循环与温差发电器相耦合，利用烧结月壤作为热储层。在两星期的月球日期间，多余的太阳能加热烧结月壤储存热量；当夜幕降临，储存的热量驱动涡轮机发电，而当温度降至主涡轮机无法运行时，热电装置则收集剩余热能继续发电。

系统性能解析

团队采用氦氙混合气体作为工质，建立了数学模型并追踪了系统在整个月球日（约28个地球日）的性能。结果显示，当太阳辐射在月球正午达到峰值约每平方米1365 Wh，闭式布雷顿循环的热效率可达31.4%。然而，在太阳强度较低的清晨和黄昏时段，涡轮机产生的功率不足以克服压气机的消耗，形成热效率低于零的“不可行区域”。这正是温差发电器发挥关键作用之处。

研究将闭式布雷顿循环的最高运行压力设定为600 kPa（即综合运行时长与功率输出后识别出的最佳平衡点），使联合系统能够在整个月球日间连续发电。在布雷顿循环无法运行的时段，单独由温差发电器发电，最大功率可达1.8 kW，效率为0.67%。这一看似很低的效率背后有一个关键的物理机制：与传统应用中热传导传热方式不同，月球系统通过辐射向空间环境排热。辐射换热的热阻如此之大，以至于大部分可用温差发生在辐射器表面与空间环境之间，仅有一小部分留给了热电元件。这一发现对于理解真空环境中的废热回收具有根本意义。

研究中最引人注目的部分在于使用烧结月壤作为储热介质。这个重达10 t的储热单元密度为每立方米3000 kg，比热容为840 J/(kg K)，在月球日间吸热、夜间释热。模拟揭示，工质的质量流量是决定系统月夜运行时长的关键因素。当质量流量低于每秒0.2 kg时，该循环能够跨越整个月夜运行，热效率最高可达37.52%。较高的流量从储热单元中提取热量的速度更快，初始发电量更大，但热库耗竭得更早——这是峰值输出与运行时长之间一个经典的工程权衡。

研究还涉及了从模型走向硬件时的实际考量。将温差发电器的级数从一级增加到四级可以提高功率输出（四级配置达到1.8 kW的最大输出），但会带来显著的质量惩罚：四级温差发电器重达237.14 kg，而单级版本为56.24 kg，增加了约四倍。在月夜期间，当储热单元温度下降导致闭式布雷顿循环无法运行时，四级温差发电器可继续发电，起始功率约为118 W，并随储热单元冷却而逐渐下降。

方案核心优势

哈工大团队方案的独特之处在于其极简主义的设计哲学。它无需从地球以高昂成本运来特殊材料，无需核燃料，无需布雷顿循环之外的任何运动部件。烧结月壤同时充当了辐射屏蔽、储热介质和建筑材料，是完美契合原位资源利用原则的多功能解决方案。

正如团队在结论中指出的，系统的最佳参数——运行压力、流量、温差发电器级数——最终必须根据实际任务需求来选择。科学考察站可能优先考虑续航能力，资源处理设施则可能追求峰值功率。他们工作的价值不在于规定单一方案，而在于绘制了一个设计空间，让未来的工程师们可以在其中做出明智的决策。当第一个永久性月球基地最终打开灯光，并看着它们在长达354小时的漫漫长夜中持续发光时，其热管理系统中将蕴含着这项研究的宝贵经验：解决太空问题的最佳方式，有时就是“利用已经存在在那里的资源”。

论文信息

Zekuan LIU, Yuting CHEN, Wenqian LIU, Jilu LI, Teng FEI, Hongyuan MEI. Performance analysis of CBC-TEG power generation scheme with sintered lunar regolith heat storage for full-day continuous power supply to moonbase. Planet, 2026, 2(1): 25006

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