月球上的 太阳能电站

在美国，还有科学家和有关部门研究在月球表面建设太阳能电站的问题。研究表明，在月球表面可以建造2万个太阳能电站，发电功率在2万GW以上，每年产生收益15万亿美元。这个数字相当于世界总产值的60％。它虽然初期投资很大，但以后运营成本及维护成本都很低，因此具有十分广阔的发展前景。

因为月球自转的周期恰好与其绕地球公转周期的时间相等，所以月球上的一天相当于地球上的14天半，这样也可以获得更多的太阳能源。科学家们设想：50年后，通过“月球并联式太阳能发电厂”，地球人就可以获得极其丰富而稳定的太阳能，这不但可以解决未来太空飞船的能源供应问题，而且随着人类空间转换装置技术，和地面接收技术的不断发展与完善，只要在月球上建造大功率的激光或微波发射装置，就可以用激光束或微波束的形式，将这些无穷的能量传送到地球上。然后，在地球上设置多个接收站，把激光束或微波束还原为电能，最后通过电网传送给各家各户。月球还具有高真空和低重力的特殊条件，在月球上生产的金属工业品不仅具有特殊的强度、超级可塑性，还能提高产品纯度，生产出无瑕疵的单晶硅、光衰减率低的光导纤维，以及纯度特高的生物医疗制品等等。由此可见，月球的确拥有很多丰富的资源等待我们开采，就算50年后地球上的能源全部被用尽，我们也用不着担心了。

科学家设想在月球上建立一个极其巨大的太阳能光伏电池阵，由它来聚集大量的阳光发电，然后将产生的电能以微波形式传输到地球上。为了解决微波束发散角比较大，地面的接收天线难以接收的问题，可以使用微波激射技术（微波激射又称脉泽，它的波束不发散）。

月球上的一个白天和黑天各持续时间约为地球上的2个星期。为了持续供电，可以在月球上每隔经度120°各建一个太阳能电站，或者在月球的正面和背面各建一个太阳能电站，然后联结成网，就可以保证整个电网连续、稳定地发电。

硅是制造太阳能电池阵的主要材料，月球上硅储量丰富，又具超真空、低重力的环境，能生产出高质量的硅光伏电池。

月球太阳能电站建设需要的其他材料，如铝、钛、铁、钨、铜等，都能从月球上提取，但加工生产装置需要从地球送到月球。

在地球上，由于人口越来越多，能源危机也日益严重。因此，有人提出了把月球建成能源基地的设想。这种能源基地不但能为人类的月球基地提供动力，还可以为地球人谋福利。

20世纪80年代初，曾有一批美国科学家提出了一个月球采矿方案。他们建议先把重约60吨的自动化机械设备送上月球，其中包括一台小型电磁采矿设备，一台能从月球上开采出来的矿石中加工提炼出硅的设备，一台能把硅制造、装配成太阳能电池的设备，还有一台能生产更多上述自动化设备的“母机”。这台“母机”可以利用太阳能电池提供的能源和采矿机械提供的原料，制造出第二代、第三代采矿机械和太阳能电池，扩大再生产。据他们估算，实现这一计划约需要50亿美元，是“阿波罗”登月计划的1／5。

开发月球的设想在利用月球能源的问题上，科学家们一致认为，未来月球探测与研究将重点朝向4个目标：①月球能源的全球分布与利用方案研究；②月球矿产资源的全球分布和利用方案研究；③月球特殊空间环境资源(超高真空、无大气活动、无磁场、地质构造稳定、弱重力、无污染)的开发利用；④建立月球基地的优选位置、建设方案与实施研究。

科学家们还认为，世界各国应该联合起来，在最近二三十年内联合建立永久性月球基地，开发和利用月球，为人类的可持续发展服务。

月球是人类共同的财富，探索宇宙是人类共同的愿望，它将为全人类带来幸福。正如第二个登上月球的美国航天员奥尔德林所说：“对于那些在悠悠转动的地球上仰望夜空的人，月亮都匀洒银光，绝不厚此薄彼。因此，我们希望，太空探索的成果也将由大家分享，从而给整个人类带来和谐的影响。”

开发月球太阳能资源射向地球的太阳能，约有1／3被地球的大气反射到太空中，剩下不到2／3还要遭受地球大气的散射和吸收等，能够到达地球表面的只是一小部分；月球则不同，表面没有大气，太阳辐射可以长驱直入，每年到达月球范围内的太阳光辐射能量，大约为12万亿千瓦。

科学家设想在月球上建立一个极其巨大的太阳能光伏电池阵，由它来聚集大量的阳光发电，然后将产生的电能以微波形式传输到地球上。为了解决微波束发散角比较大，地面的接收天线难以接收的问题，可以使用微波激射技术(微波激射又称脉冲，它的波束不发散)。

月球上的一个白天和黑天各持续时间约为地球上的2个星期。为了持续供电，可以在月球上每隔经度120度各建一个太阳能电站，或者在月球的正面和背面各建一个太阳能电站，然后联结成网，就可以保证整个电网连续、稳定地发电。

硅是制造太阳能电池阵的主要材料，月球上硅储量丰富，又具超真空、低重力的环境，能生产出高质量的硅光伏电池。

月球太阳能电站建设需要的其他材料，如铝、钛、铁、钨、铜等，都能从月球上提取，但加工生产装置需要从地球送到月球。

开采氦-3

什么是氦

我们先简单地了解一下：在地球自然界，存在着3氦(氦-3)和4氦(氦-4)两种同位素。4氦的原子核有2个质子和2个中子，称为玻色子；而3氦只有1个中子，称为费米子。20世纪30年代末期，卡皮查发现4氦的超流动性。朗道从理论上解释了这种现象，他认为当温度在绝对温度2.17开时，4氦原子发生玻色爱因斯坦凝聚，成为超流体，而像3氦这样的费米子即使在最低能量下也不能发生凝聚，所以不可能发生超流动现象。金属的超导理论(BcS理论)的提出，使得人们认为在极低温度下3氦也可能会形成超流体。但是人们一直未能在实验上发现3氦的超流动性。20世纪70年代，戴维·李领导的康奈尔低温小组首次发现了3氦的超流动性，不久，其他的研究小组也证实了他们的发现。

3氦超流体的发现在天体物理学上有着奇特的应用。人们使用相变产生的3氦超流体来验证关于在宇宙中如何形成所谓宇宙弦的理论。研究小组用中微子引起的核反应局部快速加热超流体3氦，当它们重新冷却后，会形成一些涡旋球。这些涡旋球就相当于宇宙弦。这个结果虽然不能作为宇宙弦存在的证据，但是可以认为是对3氦液体涡旋形成的理论的验证。3氦超流体的发现不仅对凝聚态物理的研究起了推动作用，而且在此发现过程中所使用的磁共振的方法，开创了用磁共振技术进行断层检验的先河，今天磁共振断层检验已发展成为医疗诊断的普遍手段。

氦-3神奇在哪里

氦-3是氦的同位素。含有2个质子和1个中子。它有着许多特殊的特性。当氦-3和氦-4以一定的比例相混合后，通过稀释制冷理论，温度可以降低到接近绝对零度。在温度达到2.18开以下的时候，液体状态的氦-3还出现“超流”现象，即没有黏滞性，它甚至可以从盛放的杯子中“爬”出去。然而，当前氦-3最被人重视的原因还是它作为能源的潜力。氦-3可以和氢的同位素氘发生核聚变反应，但是与一般的核聚变反应不同，氦-3在聚变过程中不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，既环保又安全。

开发利用氦-3

开发利用月球土壤中的氦-3，将是解决人类能源危机的极具潜力的途径之一。

从20世纪90年代开始，人类掀起了新一轮的探月高潮，在这次探月高潮中，氦-3成为世人共同的目标。但是，月球氦-3的形成和分布特征、储量和应用，仍是月球科学研究中亟待解决的问题，只有通过大量的探测和重返月球野外实地考察，才能获得较为满意的回答。

1.氦-3的形成机理

月球表面的土壤是由岩石碎屑、粉末、角砾岩、玻璃珠组成的，其结构松散且相当软。月海区的土壤一般厚4～5米，高地的土壤较厚，但也不超过10米。月球土壤的粒度变化范围很宽，大的几厘米，小的只有一毫米或微米级，这些细土一般称为月尘。月球土壤中细小的角砾岩及玻璃珠，约占70％，小颗粒状玄武岩及辉长岩约占13％。惰性气体在月球玄武岩和高地角砾岩中含量极低，大气中就更低，几乎为零。然而，月壤和角砾岩中氢气元素则相当丰富。这是由于太阳风的注入，太阳风实际上是太阳不断向外喷射出的稳定的粒子流。1965年“维那3”号火箭对太阳风的化学组成进行了直接测定，结果显示，太阳风粒子主要是由氢离子组成的，其次是氦离子。由于外来物体对月球表面撞击，使月壤物质混杂，在探达数十米的范围内存在着这氢气元素。太阳离子注入物体表面的深度，通常小于0.2微米。因此，这些元素在月壤最细颗粒中含量最高，大部分注入气体的粒子堆积粘合成月壤角砾岩或黎聚在玻璃珠的内部。氦大部分集中在小于50微米的富含钛铁矿的月壤中。

2.氦-3的利用前景

月球上的氦-3所能产生的电能，相当于1985年美国发电量的4万倍，考虑到月壤的开采、排气、同位素分离和运回地球的成本，氦-3的能源偿还比估计可达1∶250。这个偿还比和铀—235生产核燃料(1∶20)及地球上煤矿开采(偿还比约1∶16)相比，是相当有利的。

此外，从月壤中提取1吨氦-3，还可以得到约6300吨的氢、70吨的氮和1600吨碳。这些副产品对维持月球永久基地来说，也是必需的。俄罗斯科学家加利莫夫认为，每年人类只需发射2～3艘载重10吨的宇宙飞船，即可从月球上运回大量氦-3，供全人类作为替代能源使用1年，而它的运输费用只相当于目前核能发电的几十分之一。据加利莫夫介绍，如果人类目前就开始着手实施从月球开采氦-3的计划，大约三四十年后，人类就能实现月球氦-3的实地开采并将其运回地面，该计划总的费用将在2500万～3000万美元。

有人提出，可不可以不将氦-3运回地球，而是直接在月球上建立核能源基地，通过电能传输到静止轨道上的中断卫星，再传送到位于地球的接收站，然后分配到各个地区，供用户使用呢?科学家们预测，在月球上建立核电站并保持其正常工作，难度要比从月球上运回原料氦-3在地球上发电大得多。

“嫦娥1”号卫星搭载的探月仪器探测月球土壤厚度与元素含量是该探测卫星工作的重要内容。氦-3作为最有潜力的新能源，也是我国探卫星获取其资源信息的重要内容。

开发月球矿物宝藏

科学家们已经提出了多种月球基地的采矿方案，包括借鉴地球采矿技术和采矿设备，计算机控制的遥控操作采矿系统等。月球采矿将分阶段实现：第一阶段首先进行勘探和采矿的试验性研究；第二阶段建设采矿所需的基础设施，例如从地球上将勘探、施工和采矿设备部件运送到月球基地上进行装配，建设采矿场，并开展小规模作业：在第三阶段将扩大采矿作业；第四阶段将建成先进的月球采矿基地，采矿人员将在控制室中遥控机器人进行较大规模的开采。

目前，美国在研讨未来月球冶金工业的建设方案。估计到2025年左右，月球上就会出现第一批冶金厂。生产各种金属制件和液氧，供建设月球基地、太阳能电站、空间站以及其他航天器的需要。

月球采矿将是个高度自动化的过程，平时无人值守，隔一段时间，航天员对开采设备进行一次检查和维护。月球上的开采设备与地球上的开采设备有许多不同，它们大都是遥控开采机器人，以电力驱动，能承受恶劣的月球环境，采用模块化设计，以便于更换部件和维修。开采机器人能够“一专多能”，除完成“本职工作”外，还能承担一些通用性的任务，如起重、拖运等。由于月球重力加速度只有地球的1／6，与地球质量相同的物体在月面要轻得多，因此月面运输的能耗很低。对于开采量较大的作业，需要使用可移动的处理设备如移动处理厂等，避免大量的原料运输，以提高开采效率。

古人就发现，我们在地球上看到的月球，似乎一直不变，都是同一张脸，所以在地球上都看到的月球一侧被称为正面，而月球的背面在地球上是永远也看不到，其实月球背面我们通过探测器是可以看到的。

嫦娥四号即将在月球背面登陆，白天使用太阳能提供电力，夜间使用同位素温差电池（核电池）提供电力，其中核电池可提供30年的电力供应。

由于月球也在不断的自转，月球背面一样会受到阳光照射，具有白天和黑夜，在白天嫦娥四号会使用高效太阳能板进行光伏发电，维持正常运行。白天通过利用太阳能转换成电能，就可以保障嫦娥四号的能量来源。而到了晚上和月球的背面月球温度很低，而光线的缺乏也使得探测难度增大，不好操控。低温对设备的考验也很大，因此嫦娥四号专门配备了一块同位素电池核裂变时释放的热量，持续稳定。

同位素温差电池，是利用某些放射性同位素，它们在衰变时会释放大量热量，并在装置内产生温差，然后利用特殊材料产生温差电动势，从而把热能转化为电能。刚好可以作为设备饿保暖措施，不过这块电池功率较小，不能支持探测任务。