太空能源系统及资源利用研究进展
太空能源系统及资源利用研究进展
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。
导读
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，使空间探测向前迈进。
图1 图文摘要
太空基地的环境控制和建造技术
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。
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。
地外原位资源利用技术
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，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）。
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。
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。
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
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）。
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）。
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。
行星运载平台关键技术
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。
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、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。
图9 低重力和复杂路况下的行驶、环境感知和路径规划技术
太空资源地质勘探
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。
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。
总结与展望
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。
引用格式：Wu W., Shen J., Kong H., et al., (2024). Energy system and resource utilization in space: A state-of-the-art review. The Innovation Energy 1(2), 100029.
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。