如何在月球上建加氫站？

氫能首席觀察按：「純化」和「壓縮」將是未來大規模開發和利用月球氫能的關鍵技術。NASA與傑夫·貝索斯旗下Blue Origin，JAXA與豐田以及新進入的Skyre與Eta Space逐步形成了完整的鏈條。

8月初，總部位於美國康乃狄克州的清潔能源產品製造商Skyre宣布與太空低溫流體管理技術廠商Eta Space建立合作關係，以開發月球上的第一座加氫站。

「與從地球上獲得氫燃料相比，在月球幾乎不需要任何資源就能產生氫燃料，這在一定程度上保證了可持續性。」——SKYRE執行長 TrentMolter

隨著航天技術的發展，由近地空間、月球空間及其轉移空間構成的地月空間，將成為陸地和海洋之後，人類生存空間拓展的又一廣闊領域。

氫從哪裡來？

2020年7月23日，「天問一號」升空。在所有科學目標中，人們最感興趣的是火星上是否存在液態水，以便探尋地外生命存在的可能性。除了生命指徵外，水更是能量之源。

如果將水分解成氫氣和氧氣，然後液化就得到了火箭燃料。從太空運輸能量消耗的角度看，地球處於地月空間的「引力深井」底部，由地球表面進入地月空間時能量消耗極大——以每秒數噸燃料計算。如果人類可以在月球軌道或月球基地停下來加注燃料，則起飛時不再需要隨身攜帶所有推進劑，從而使太空飛行器的發射重量更輕且成本更低。

月球基地建設圖 圖片來源NASA

在太空中創造可持續的燃料來源可以減少因過載升空帶來的成本和危險。從歐洲航天局的「月球村」、中國的「嫦娥五號」乃至印度「月船」項目都肩負著尋找月球水冰的任務。2018年，正是通過分析印度第一個月球探測器「月船1號」收集的數據，美國國家航空航天局(NASA)的科學家才正式確認月球南極存在大量水冰。NASA估算，月球上可能有5.5億噸的水冰可供採集，樂觀情景下可能有10億噸。如果可以有效地開採，那麼月球將成為未來星際旅行的補給站，供人類前往火星和遠方。

一個重要的問題是如何開採月球上的水冰？低溫和輻射會對人體造成危害，並損壞敏感的設備。此外，月球土壤本身粗糙且參差不齊，容易粘在任何物體上，可能會破壞機器，並給穿著太空服的工作人員帶來安全問題。即使克服上述障礙，開採月球上的水冰也並不容易。月球上的水是以混合在土壤中的微小冰粒的形式存在的，大部分分布在兩極附近隕石坑內的永久陰影區域。在這裡，40k(-233.15℃)的溫度保持了水冰的穩定。

2009年，NASA檢測了LCROSS任務中的土壤樣品，除了5.6%的水冰（按重量計算）外，還有大量複雜的有機物和金屬元素。因此，月球水冰的開採過程中最大的技術瓶頸在於「純化」。雜質會使液態氧和液態氫燃料無法使用，甚至變得更糟，不穩定和易爆。

月球水冰採集器 圖片來源：GEORGE SOWERS

2018年，美國科羅拉多礦業學院George Sowers和其他十幾位科學家在《Reach》雜誌上發表了一篇論文，描述了一種提取月球水冰的方法。一個頂部有凹面鏡的大塔豎立在火山口邊緣，將陽光反射到極地的永久陰影區域——月球土壤被加熱到220 K(-53.15℃)後水冰升華為水蒸氣。覆蓋在土壤上的帳篷會捕獲這種水蒸氣，並將其移動到大型鋁製單元中凍結成冰。系統會將冰運送至淨化設施中分解為氫和氧，並最終液化。美國加利福尼亞的OffWorld太空機器人公司表示，水冰開採有望成為一個完全自主的過程，由一群人工智慧機器人來運行。

如何使用氫？

燃料電池已經成為實現月球和火星表面深度探測的最佳機動性解決方案。在紀念人類登月50周年活動中，劍橋大學化學工程和生物技術系的教授曾談到，正是燃料電池技術的突破將人類送向了月球。

2019年5月，在麻薩諸塞州波士頓舉辦的甘迺迪航天峰會上，傑夫·貝索斯的藍色起源公司披露了登月計劃。其中就包了用月球上的水冰，為「藍色月亮」登月車提供燃料。與此同時，日本航空航天局（JAXA）聯合汽車巨頭豐田籤署了為期三年的聯合研究協議——下一代載人漫遊車先驅項目。

「藍色月亮」登月車

JAXA/豐田「漫遊者」月球車 圖片來源豐田

JAXA/豐田「漫遊者」優化了加壓艙和燃料電池電動汽車技術，它將比20世紀70年代NASA在阿波羅任務中使用的「登月車」更為先進。攜帶流動站的「漫遊者」長6米，寬5.2米，高3.8米，大小約為兩輛小型貨車。13立方米的機艙將有足夠的空間容納兩名太空人。此外，豐田的最新燃料電池可使「漫遊者」在一箱氫氣情況下行駛1,000公裡。

氫和太陽能都是能源。JAXA/豐田的工程師認為，燃料電池動力系統是最穩定的選擇，它結合了高能量密度和更輕的重量和緊湊的尺寸。尤其是燃料電池質量約為鋰離子電池的20%，體積小約25%。在月球上，發電產生的水可以作為冷卻劑或飲用水再利用。

未來月球基地暢想 圖片來源NASA

如何在月球建加氫站？

SKYRE基於一個專有的電化學平臺把冰水電解成氫和氧，進而利用H2RENEW™壓縮和液化氫成為燃料。這一過程的關鍵是要有一個強大的製冷系統來液化氫氣，而這反過來又需要一個壓縮機來對氫氣進行壓縮。

Eta Space首席技術官William Notardonato表示，「通常情況下，壓縮氫這樣的小分子是非常困難的，這使得傳統的機械壓縮機在這項任務中效率非常低，也不可靠，最終無法產生綠色氫。」

圖片來源：SKYRE公司

H2RENEW是一種固態系統，需要很少或不依賴物流來高效運行，沒有移動部件，從而提高可靠性和成本效益。它符合所有的要求，是月球液化氫的理想裝備。

5月15日， NASA發布Artemis Accords——一項關於在月球上採礦的法律框架，以Artemis 計劃命名，擬在2024年將太空人送回月球表面。該計劃是美國在月球上建立永久基地的最重要一步。Artemis Accords允許美國在其他國家之前首先制定月球採礦的條款，並在不同的月球基地之間建立中立的「安全區」，以防止國家和公司之間的幹擾和衝突。

50年來月球從不寂寞，未來更不會。