ng体育太空能源系统及资源利用研究进展

2024-07-10 12:24:34

  ng体育太空探索是人类迈向未来的重要一步,而太空能源系统的建设和资源利用是深空探测的基石,对国家未来太空发展具有战略性意义。

  太空探索是人类迈向未来的重要一步,有利于推动科学进步和技术创新,深入了解太阳系起源和演化。当前,太空探索以资源探索、建立太空基地为首要目标,亟需发展综合性的太空能源系统及资源利用技术,从而推进人类驻留太空ng体育ng体育,使空间探测向前迈进。

ng体育太空能源系统及资源利用研究进展(图1)

  太空探索离不开太空基地的建造,这为人类驻留太空提供基础保障。环境控制和生命保障系统(ECLSS)提供一个人工微环境,该系统主要包括空气控制和水管理子系统,这些系统在人造太空基地内发挥着重要作用。图2展示了人造太空基地内的ECLSS。

ng体育太空能源系统及资源利用研究进展(图2)

  图2 基于3D打印建造的包含环境控制和生命保障系统的太空基地示意图. ①温度、湿度、压力监测与控制;②污染物监测;③空气净化;④二氧化碳控制;⑤制氢;⑥制氧;⑦水处理与储存;⑧尿液收集与回收;⑨废品。

  搭建好太空基地后,为了提高自给自足能力并降低星球间的运输成本,须就地取材并探索人类地外生存所需要的资源,如水、氧气、燃料(3He)。根据月球环形山观测与遥感卫星(LCROSS)的实验数据,我们知道月球和火星上都存在着丰富的水冰资源ng体育,月球水冰的位置见图3(A)和(B)。火星上的水冰资源如图3(C)所示。火星梅杜莎槽沟层(MFF)位于火星赤道地区,其水冰拍摄图像见图3(D)。

ng体育太空能源系统及资源利用研究进展(图3)

  图3 月球和火星水资源分布图。月球北极(A)、月球南极(B)显示裸露的冰层(黑点)和一定深度内冰层稳定区域;(C)火星北部初夏的北极冰帽;(D)梅杜莎槽沟层(MFF)矿床疑似富冰部分的厚度图。

  如图4(A)展示的水冰开采方法,利用太阳光或其他热源加热冰,使其升华或蒸发,然后通过冷阱装置收集。对于地表下的水冰,代表性技术为“移动式原地取水器(MISWE)”,如图4(B)所示。此外,地外人工光合作用(EAP)作为一种仿生转化技术,利用太阳能从H2O和CO2中提取O2,同时生成燃料(如H2),以实现长期地外居住和太空飞行。图4(C)展示了EAP的原理示意图,其中包括光催化图4(D),光电催化图4(E)和(F),光伏电催化图4(G),以及光热催化图4(H)等方式。

ng体育太空能源系统及资源利用研究进展(图4)

  图4 热采矿法(A)和钻探挖掘法(B)示意图;(C)地外人工光合作用;(D)利用月球土壤催化剂进行光催化、光电催化(E)和(F)、光伏电催化(G)和光热催化(H)的原理图。

  此外,月球上的二氧化钛资源也为未来的3He探索提供了宝贵的启示,图5展示了月球上二氧化钛的分布情况。利用这种月球资源可以为子孙后代提供几乎无限的能源供应。

ng体育太空能源系统及资源利用研究进展(图5)

  图5 月球表面提取3He的示意图。提取3He的热能可通过定日镜反射太阳光或直接通过太阳碟形集热器进行收集。

  能源系统是月球研究站和月球基地的重要组成部分之一。针对月球表面能量需求,提出了不同的发电和储能方案。对于月球研究站和月球基地的建设,需要考虑不同阶段的需求,可分为无人(机器人)月球基地、短期和长期驻人月球基地以及月球村四个阶段(图6)。

ng体育太空能源系统及资源利用研究进展(图6)

  图6 不同月球基地阶段对应的发电技术:(A)无人(机器人)月球基地—温差发电技术;(B)短期驻人月球基地—再生燃料电池发电技术;(C)长期驻人月球基地和月球村—热力发电技术。

  此外,考虑到月夜的极端低温环境,除发电外,还须供给充足的热能,如图7(A)所示。同样,也需在月昼向月球基地供冷。目前有两种将发电与制冷系统相结合的方式:(1)引射器制冷,(2)涡轮驱动压缩机,可参见图7(B)和(C)。

ng体育太空能源系统及资源利用研究进展(图7)

  图7 月球基地多能联合供给系统。(A)热电联供系统;(B)使用喷射器制冷的冷电联供系统;(C)使用涡轮驱动压缩机制冷的冷电联供系统。

  行星运载平台需对地外行星表面环境具有良好的适应性,图8展示了目前主流的行星漫游者运载机器人。

ng体育太空能源系统及资源利用研究进展(图8)

  图8 主流行星漫游车:(A)Lunokhod 2号月球车,(B)玉兔二号月球车,(C)Pragyan号月球车,(D)Spirit号火星车,(E)Curiosity号火星车,(F)Perseverance号火星车。

  如图9所示,地外行星上的道路条件可能有各种类型的地形,如山脉、峡谷ng体育、高地和低地等。为了适应低重力环境下的各种路况,行星运载平台的悬架和车轮结构的设计对提高其越障能力和高机动性起着重要作用。

ng体育太空能源系统及资源利用研究进展(图9)

  太阳系中各天体上的资源在空间上分布不均,为了获取关于太空资源的地质信息,可以通过遥感、就位探测、样品分析等技术途径,获得太空资源的分布、含量、产状、赋存特征和储量等地质信息,为未来太空资源的开采利用提供理论基础。图10为太空资源利用的示意图。

ng体育太空能源系统及资源利用研究进展(图10)

  图10 太空资源利用的示意图:(A)太空资源的分离和富集,(B)太空资源运输,(C)太空资源原位利用场景,(D)球粒陨石中金属铜与铁纹石及合纹石的产出特征。

  目前太空探索取得了重大进展,但仍需探索新的技术,包括(1)提高国际空间站和月球基地ECLSS中不同资源和营养物质的回收率,以形成氧气、水、食物生产和消耗的准闭环;(2)应用可行的增材制造(AM)技术建造真正的月球基地,更好地应对微重力、高真空和极端温度变化的挑战;(3)进一步探索和利用月球及其他行星上的现有资源;(4)通过协同利用各种能源并设计新的能量利用循环,提高不同能源的转换效率;(5)研制既可在地面又可在空中工作的行星两栖漫游车。

  国家航天局探月与航天工程中心研究员,航天测控通信与深空探测工程总体技术专家,中国探月工程总设计师,深空探测实验室主任兼首席科学家,中国工程院院士,国际宇航科学院(IAA)院士,长期从事航天遥测、测控通信和深空探测工程总体技术研究与实践。负责研制我国第一代计算机遥测系统和远程航天测控通信系统,推动研制建设测控距离达数十亿千米的我国深空测控网;主持实现嫦娥二号对月球,嫦娥三号月球着陆和巡视探测,嫦娥四号国际首次月球背面着陆巡视探测;牵头提出无人月球采样返回、月球南极科研站、太阳系边际探测等发展战略和总体技术方案,为我国深空探测事业发展做出重大贡献。先后获国家科技进步特等奖3项,一等奖2项,二、三等奖各1项;获全国先进科技工作者,国防科技工业杰出人才奖,首届全国创新争先奖章,何梁何利科学与技术成就奖,钱学森杰出贡献奖,国际宇航联合会(IAF)世界航天最高奖等。发表论文80余篇,出版专著10余部。2020年6月,经国际天文合会(IAU)批准,将国际编号281880号小行星命名为“吴伟仁星”。

  北京理工大学机械与车辆学院教授、博士生导师,国家杰出青年科学基金(2019)、中组部万人计划“青年拔尖人才”(2017)和国家优秀青年科学基金(2013)获得者。长期从事工程热物理研究,研制了大功率半导体激光器微型热沉,揭示了复杂结构内流体热质输运机理与协同强化方法;发明了高性能磁制冷材料,研制出新型复合磁制冷装备,实现了磁制冷技术的工程应用。已发表第一/通讯作者论文70篇,获授权国家发明专利65项、国际发明专利2项;主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目和中科院基础前沿科学研究计划等项目。曾获得第三届科学探索奖(2021)、第十六届中国青年科技奖(2020)、第十四届中国青年女科学家奖(2018)、中国科学院青年科学家奖(2018)、中国工程热物理学会“吴仲华优秀青年学者奖”(2017)和北京市科学技术奖二等奖(2017,排名第一)等学术奖励。担任国际学术期刊Applied Thermal Engineering副主编、中国工程热物理学会热力学与能源利用分会青年工作委员会副主任委员、中国制冷学会理事会理事和中国制冷学会低温专业委员会委员等职务。

  北京理工大学副研究员,分别于山东大学和中国科学院工程热物理研究所获得学士和博士学位,担任北理工机械与车辆学院热能工程研究所教师党支部/副所长。入选中国科协、北京市科协青年人才托举工程项目。主要从事太阳能热利用(海水淡化ng体育、燃料合成)、多能互补低碳能源系统等领域的教学和研究工作,累计在Nature Water、Advances in Applied Energy等期刊第一/通讯作者发表SCI论文32篇,高被引论文2篇,授权国家发明专利13项。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、北京市自然科学基金面上项目等,担任SCI期刊Applied Energy编委。指导学生获得全国大学生可再生能源竞赛一等奖、北京市节能节水比赛一等奖,被评为“优秀班主任”“最美学育导师”等荣誉称号。

  此外,本文由北京理工大学,北京航空航天大学,南方科技大学,清华大学,中国科学院大学,哈尔滨工业大学,北京大学,深空探测中心等多家单位联合撰写。

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