太空是人类取之不尽、用之不竭的资源宝库。月球作为距离地球最近的天体和地球唯一的天然卫星，有着丰富的矿产资源、能源和特殊环境，能为人类社会的可持续发展提供长期而有效支撑作用，使其成为人类进行深空探测的前哨^[1]。随着地球资源的日益紧张及空间科学技术发展的需要，月球上特有的矿产和能源成为地球资源的重要补充和储备，是世界上许多国家当前的研究热点和未来资源获取的潜在来源，对月球战略资源的勘探开发和建立月球基地是深空探测的必然趋势和竞争焦点，将对人类社会的可持续发展产生深远影响^[1]。国务院2016年印发的《“十三五”国家科技创新规划》提出：“要围绕构筑国家先发优势，加强兼顾当前和长远的重大战略布局……发展深空、深地、深海、深蓝等领域的战略高技术”，强调持续推动探月工程^[2]。因此，继美国Apollo计划、前苏联Luna计划后，中国、美国、欧盟、日本、印度等各国航天机构纷纷启动新一轮的月球探测计划，重点瞄准月球矿产资源、水资源及挥发性气体等特殊物质，以期揭开月球演化与生命科学的秘密，为未来人类开发月球、利用月球奠定基础^[3]。美国2019年5月14日更是颁布了以商业化开发月球为目的的阿尔忒弥斯（Artemis）探月计划^[4]。2019年，中国嫦娥四号成功着陆月球背面，是人类首次在月球背面软着陆的探测器，并开展了月球地质、资源等方面的探测任务^[5]。

月球资源勘探开采、月球基地建设等一切月基活动的关键基础之一为长时间稳定且充足的月基原位能源供给^[6-7]。月球能源供给的难题主要受限于月球特殊的地质环境。月球距离地球38 ×10⁴ km，难以直接利用地球上的能源资源，太阳几乎是月球可利用天然能源的唯一来源^[8]；月球半径为地球半径的四分之一，引力只有地球引力的六分之一，导致月球没有大气层，月球表面为近真空状态从而没有保温作用，这致使月球表面在月昼时温度可高达127 ℃，而在月夜时温度可低至−183 ℃，这种极端环境下绝大多数月基设备均无法正常工作^[9]。

月球着陆器、月球车等各种设备运行均需要大量的能量，目前这些设备的能源供给均为“自给自足”^[10]。月昼时，通过高效的太阳能电池板和蓄电池为月基各类设备提供必需的能源；月夜时，利用自带的能源动力装置（放射性同位素电池等）为必需工作的少数设备提供动力，其它非必要设备则进入“休眠”模式，能源供给装置仅提供必要的保温能量以尽量节省能源^[11]，只有月昼再次来临时再重新启动进行工作。然而，目前的这些月基能源供给方式寿命短、量级低，仅适合为小型的月基活动提供动力。随着探月工程规模的不断扩大，仅仅依靠太阳能电池或小型放射性同位素温差发电将难以为探月活动尤其是月球基地提供充足的能源供应。

因此，在充分调研月球表层月壤和月岩特殊属性的基础上，充分利用月球昼夜温差极大的特点，提出了月球原位能源供给技术构想，并设计了月基温差热伏发电技术和月基温差磁浮发电技术与实施构想，以期为月基设备及其相关活动提供稳定、持久、量级大的原位能源保障，从而为探月活动提供相关技术支撑。

月壤是覆盖在月球表面、厚度1.0～18.0 m 的松软风化物。月壤主要由碎石、岩屑、玻璃质、角砾等组成, 结构松散。几何特征方面，月壤颗粒呈现出多孔、多勾角的异型结构；结构特征方面，月壤呈现出粒径跨度大（30 μm～10 mm）且夹杂月岩大颗粒的典型壤/岩混合体特征；组分方面，月壤及月岩富钛、富铁特征十分典型^[12-14]。这些特征导致月壤的热导率极低，热学性质与地球岩石完全不同，研究表明月壤的热导率约为0.000 9～0.010 0 W/mK，比地球岩石低了100倍以上^[15-16]。

月壤下的月岩根据成因不同可分为月海玄武岩、克里普岩、高地岩石和角砾岩^[17]。月海玄武岩具有疏松多孔的结构特征，高钛玄武岩等在地球上并不存在，其热学力学性质需要单独研究；富铁玄武岩由于较高的铁含量和特殊的异型结构而具有特殊的性质。特殊的成岩过程、矿物组分和结构导致月岩具有特殊的力学和热学性质^[18]。月岩的热导率0.01 W/mK，仅为地球岩石的百分之一^{[15, 19-20]}。

为了测定月球热流等温度特性随深度的变化规律，美国阿波罗计划15号和17号载人探测器在着陆点附近的表面分别钻取了不同深度的钻孔，其中阿波罗15号和17号的最大探测深度分别为1.0 和2.4 m；在钻孔的表面和钻孔中不同深度处放置了温度探测器（图1和2），记录长达数年的月球表面和不同钻孔深度处温度随时间的变化数据^[21-23]，为探索月壤月岩温度随深度的变化成为可能。

图1(Fig. 1)

图1 美国阿波罗15号测定月球不同深度热学性质示意图[23] Fig. 1 Schematic diagram of measuring thermal properties of lunar regolith and rock by Apollo 15[23]

图2(Fig. 2)

图2 美国阿波罗17号测定月球不同深度热学性质示意图[23] Fig. 2 Schematic diagram of measuring thermal properties of lunar regolith and rock by Apollo 17[23]

图3展示了阿波罗15号和17号测定的月壤和月岩不同深度处温度随时间的变化曲线。阿波罗15号在1971年至1975年的测试数据显示当温度探测器深度为0.35、0.49和0.84 m时，该深度的温度随时间表现出较大的波动，但其波动程度随着深度的增加逐渐减小，这说明虽然月昼和月夜交替变化（图4）对温度的影响随深度在减弱；当温度探测器深度达到0.91 m之后，月昼和月夜的交替变化对该深度以深的温度影响较小，温度可认为随时间保持恒定。阿波罗17号温度探测器的数据（图3（b））进一步表明当温度探测器埋深超过1.3 m后，地层温度将恒定在–16 ～17.5 ℃，波动范围小于2 ℃。综上，得益于月壤和月岩极低的导热率，可认为当月壤月岩埋深深度超过1 m后，无论在月昼或月夜，该处地层温度保持恒定，可看作恒温层（恒温层温度随月球纬度的不同而变化）^[24]。

图3(Fig. 3)

图3 阿波罗15号和17号分别测定的温度随探针深度的变化规律[23] Fig. 3 Variations of temperature with the depth of probe measured by Apollo 15 and 17, respectively[23]

图4(Fig. 4)

图4 月球表面温度随时间的变化 Fig. 4 Variation of temperature on the lunar surface with changing time

由于月球自转的作用，月昼时月球表面温度高达+127 ℃，月夜时月表温度将至–183 ℃，可见月球表面的热量主要来源于太阳辐照^[25-26]。无论月昼和月夜，月球表面和月壤月岩恒温层之间存在较大的温差。以阿波罗17号的探测数据为例（图3（b）），月昼时，月球表面和恒温层之间的温差为143 ℃；月夜时，月球表面和恒温层之间的温差为167 ℃。如何充分利用月球表面和月壤月岩恒温层之间的温差，将其转化为可在月球直接利用的能源对实现月基活动原位能源供给具有重要的意义。

将月球表面和月壤月岩恒温层之间的温差转化为可利用电能目前正日益得到重视。日本宇宙航空研究开发机构较早的设计了利用月壤恒温层与月表环境之间的温差进行发电的热控制系统^[27]，月昼时利用太阳辐射加热蒸发工质与月壤恒温层之间的温差和压差进行温差发电，月壤恒温层作为冷凝器；月夜时利用月壤恒温层与月面极低温度环境之间的温差和压差进行温差发电，月表环境作为冷凝器。徐进良等^[28]提出了利用蓄热系统吸收太阳辐射同时为发电系统提供热源，而利用蓄冷系统储存的冷量为发电系统提供冷源的空间昼夜温差发电方法。杨晓峰等^[29]设计了一种基于月球环境的太阳能温差联合发电装置，提出了结合太阳能电池板与半导体材料的两种月昼发电方式。朱益飞等^[30]提出了利用月壤恒温层与月夜低温环境之间的温差进行发电，并储存到蓄电池中。

然而，上述所有的设计方法均是停留在概念阶段，没有任何具体措施和实施方案，且存在供给不连续或工作时间不足以及环境适应性差等问题。因此，本文提出了具有较好可实施性的月球温差热电材料热伏发电技术和月球温差磁悬浮发电技术构想，为月球原位能源供给提供新思路和新方法。

热电材料是一种可以实现热能和电能相互转化的功能材料。自1823年首次发现材料两端的温差可以产生电压（即温差发电）以来，学者们对利用热电材料的性质和发电可行性进行了广泛的研究，谢和平等^[31-32]首次提出了基于热电材料的中低温热伏发电技术构想。相较于传统机械涡轮发电，温差热伏发电具有体积小、重量轻、无污染、无噪音、无机械损耗、器件使用寿命长的优点。因此，以谢和平等^[31-32]提出的基于温差热电材料的中低温热伏发电技术原理为基础，结合较为成熟的热管技术，可以实现利用月壤恒温层与月球地表环境之间温差，为未来月球基地等提供长期电力供应。月球温差发电系统的技术原理如图5所示，系统主要包括位于月壤恒温层的均热板、月表的热电模块组和均热板以及连接两个均热板的热管组。由于热管依靠毛细力作用实现工质的内部循环，因此，系统在月昼和月夜条件均可以工作，实现系统的连续运行。

图5(Fig. 5)

图5 月基温差热电材料热伏发电技术示意图 Fig. 5 Schematic diagram of lunar-based thermovoltaic power generation using thermoelectric material

基于图5所给出的设计原理，图6进一步给出了月球温差发电系统具体的实施构想。热电模块组置于热沉和均热板（为方便说明，该均热板命名为“上部均热板”）中间，位于热电模块组上部的热沉在月昼时作为系统的热端、月夜则作为冷端使用，其顶部肋片可增加热沉与月表空间辐射换热的换热面积，增加从月表空间吸收（月夜则为释放）的换热量。上部均热板与位于月壤恒温层的均热板（中部均热板）用若干热管相连，热管两个端部直接嵌入均热板，另外在月壤恒温层之下3～4 m处又增加了一个均热板（下部均热板），中部和下部均热板也以热管相连。这样设计可解决月壤表层导热性差带来的换热不足问题。通过增加换热面积，尽可能增加上部均热板与中部均热板之间的热量传递，从而确保热电模块组冷热端的温差最大，更加有利于提高热电转换效率。

图6(Fig. 6)

注：专利申请：深圳大学. 一种月球表面用热电转换装置：CN202010320849.2，2020–04–22。 图6 月基温差热电材料热伏发电系统解决方案 Fig. 6 Implementationof lunar-based thermovoltaic power generation using thermoelectric material

月基温差热电材料热伏发电技术设计方案在月昼和月夜时段均可保持发电状态。月昼和月夜条件下系统的热量输送和热电转换过程如图7所示。

图7(Fig. 7)

注：专利申请：深圳大学. 一种月球表面用热电转换装置：CN202010320849.2，2020–04–22。 图7 月基温差热伏发电系统运行原理 Fig. 7 Principles of lunar-based thermovoltaic power generation

月昼期间，月表温度高于月壤恒温层，热电模块组上部的热沉作为热端，而其下部的均热板接近于月壤恒温层的均热板的温度，作为冷端使用。热沉吸收月表的辐射热量，通过热电材料将部分热量转化为电能，其余部分则通过两级热管传至月壤（图7（a））；到了月夜时段，运行过程则完全相反，通过热管将月壤的热量输送至上部均热板，部分热量转化为电能后，其余热量则通过热沉辐射到月表环境（图7（b）），进而确保系统在月夜条件下也能保持一定电能输出。热管采用阵列方式排列，可以最大限度实现月壤和月表之间热量的传递，确保热电模块组冷热端的温差始终维持在最大值，最大限度提高热电转换效率。

磁悬浮发电技术是基于有机朗肯工质循环原理，利用磁浮技术、涡轮技术、永磁发电技术将机械能转换为电能。由于没有传统涡轮发电中的机械损耗，磁悬浮发电技术比传统有机朗肯循环发电技术效率高10%以上。目前磁悬浮发电技术主要用于实现高温余热的有效利用，尚未在中低温热源中应用^[33]。基于此，本文提出了充分利用月球恒温层和月壤月岩温差的月球温差磁悬浮发电技术及实施构想，其原理如图8所示。

图8(Fig. 8)

注：专利申请：深圳大学.月球温差磁悬浮发电系统：CN201910416471.3, 2019–05–20。 图8 月球温差磁悬浮发电技术构想 Fig. 8 Magnetic levitation power generation on the moon

本文设计的月球温差磁悬浮发电系统包括磁悬浮透平发电机，气体发生器，表面换热器以及工质泵。利用热管将月壤中的热量传入发生器，将循环工质加热蒸发，蒸发后的工质在磁悬浮透平发电机中做功发电。做功后的循环工质在表面换热器中与太空进行辐射换热而冷凝，经工质泵加压后回流到发生器再次吸收热管热量进行循环发电。

磁悬浮透平发电机采用一体式设计，涡轮与永磁转子共用一根磁悬浮轴承，并全部封装于一个无缝外壳内。工质在涡轮中膨胀做功驱动永磁转子旋转使定子线圈切割磁感线产生电能。由于磁悬浮轴承利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触，在空间应用中具有独特优势。一方面，磁悬浮透平发电机能有效提升发电效率。它能以每分钟数万转高速运行，内效率能达到92%，机械效率接近100%，远高于传统透平发电机。另一方面，磁悬浮透平发电机能有效提升发电系统的可靠性与稳定性。传统液体润滑剂在低温下会凝固而失去作用，在真空下会加速蒸发耗散，还有污染工质的风险，采用磁悬浮轴承无需复杂的润滑系统，从根本上消除摩擦；并且，一体式无缝外壳可防止工质泄露，可有效减少机组维护成本。

气体发生器与表面换热器分别是循环系统的蒸发器与冷凝器（图9）。其中，气体发生器集成了若干管壳式换热单元，每个换热单元由保温壳体、热管冷凝段和折流板组成。由工质泵增压后的液态发电工质流入第一个换热单元的保温壳体，在折流板作用下迂回掠过热管冷凝段外侧与热管工质进行换热，随后流入下一个换热单元。随着发电工质流过的换热单元数增加，发电工质汽化程度逐渐升高，最终成为过热蒸汽进入磁悬浮透平发电机。

图9(Fig. 9)

图9 气体发生器的一个传热单元示意图 Fig. 9 Schematic diagram of a heat transfer unit of a gas generator

表面换热器面采用大面积辐射面板，通过向月球上空辐射散热，使磁悬浮透平发电机排出的乏汽冷凝。如图10所示，表面换热器内部设计有散热肋片，肋片与内壁面结合形成若干分流微通道。根据发电工质在各微通道内的沿程阻力来调节各微通道的出入口截面大小，使工质流入表面换热器后较为均匀地分配到各微通道中，从而提升冷凝过程的换热均匀性；辐射面板外部表面涂有高发射率的辐射材料，可增强辐射面板与月球上空之间的换热。

图10(Fig. 10)

注：专利申请：深圳大学.月球温差磁悬浮发电系统：CN201910416471.3, 2019–05–20。 图10 表面换热器示意图 Fig. 10 Schematic diagram of the surface heat exchanger

当深度大于1 m，月壤月岩温度基本恒定。因此，为保证热管稳定地吸收月壤月岩中的热量并使发电机平稳工作，可将换热器埋设在月壤恒温层中进行取热。参考地球上浅层地热能的开发，例如地源热泵。地源热泵取热通常采用地下埋管换热器，采用高强度塑料等管材，通过泵驱动水或防冻液等传热介质在地下土壤中形成封闭回路来吸收热量。但循环泵做功需耗费电能，对于月球发电装置来说，应尽可能减少自身耗电，因此可以采用自循环、高效传热的热管进行月壤取热。热管主要类型有毛细芯热管与热虹吸管，理论上这两种热管均可使用。但是，在长距离月壤大量取热条件下，毛细芯热管容易达到其毛细极限，造成液态工质在冷凝段聚集和蒸发段干涸，限制了热管的传热能力；而热虹吸管无需复杂的管芯结构，以重力为驱动力使液体回流，虽然月球重力仅为地球的六分之一，但液体回流驱动力大于流动阻力，依然能起到强化换热的作用。研究表明^[34]，热虹吸管的临界热流密度比毛细芯热管大1.2～1.5倍。鉴于热虹吸管结构简单、可靠性高、换热能力强等优势，建议采用热虹吸管作为月壤取热的换热器。

热虹吸管可分为蒸发段、中间段以及冷凝段（图11），其中蒸发段竖直埋入月壤恒温层中，冷凝段置于气体发生器中，二者通过中间段连接，中间段涂以保温涂料以减小热管在低温浅层月壤中的热损失。传热工质在蒸发段中吸收月壤热量后蒸发并在浮力作用下向上流动，经过中间段后，在冷凝段中冷凝并将热量传至气体发生器中，冷凝后的液态工质在月球重力的作用下回到蒸发段。但由于月壤恒温层的温度较低，常规传热工质容易凝固而无法正常工作，而固体导热的热通量通常比对流换热低几个数量级，因此不适合在月壤环境中使用。经调研，在月壤取热工况下，NH₃具有最优的传热性质。与工质NH₃相匹配，可采用铝作为热管的管壳材料。

图11(Fig. 11)

图11 单根热虹吸管的结构示意图 Fig. 11 Schematic diagram of a single thermosiphon

月球温差热电材料热伏发电技术和月球温差磁悬浮发电技术为解决探月工程能源供应问题提供了一个新的方法，在具体实施过程还面临着许多技术挑战。主要包括：

1）研发低温条件下的高效热电材料

当前使用的半导体热电材料的性能系数普遍较低，在中低温条件下的热电转换效率普遍低于5%；而在月夜条件下的温度最低可达–180 ℃，热电材料在极低温条件下的热电性能依然缺乏相关研究数据支持，亟需攻关研究。

2）寻找高效的低温热力循环工质

当前热力发电厂的热源温度普遍高于673 K，即便是低温地热发电最低热源温度也有335 K，在保证磁悬浮透平发电机相同进口压力的工况下，现有发电工质无法蒸发以完成热力循环，因此需要寻找或合成沸点更低的工质。为保证高效的动力循环，需要对工质进行系统地筛选。

3）提高热管取热功率

月壤热导率仅为地球土壤的百分之一，使得在相同温度梯度下热管吸热量也仅为后者的百分之一；单位体积月壤的热容量约为600 kJ/K，仅相当于水储热能力的七分之一。为达到月基温差发电系统额定功率需要开发具有高取热功率的热管并尽量扩大热管在月壤月岩恒温层中的接触面积。

4）月基极端条件下发电成套设备

月表环境极为恶劣，昼夜温差超过300 ℃，实现基于温差热伏发电系统和磁悬浮发电系统的长期安全稳定运行，需要解决发电系统换热部件在极低温度和交变热负荷作用下变形、老化和失效问题；月基条件使得发电系统的电能输出可能不连续的情况，需要结合储能等技术，实现电能的稳定连续输出。

通过系统调研分析月球特殊的地质环境，表明无论月昼还是月夜，月球表面深度超过1 m后，月壤或月岩层均为恒温层，且恒温层和月球表面间存在较大的温差；将该温差转化为可在月球直接利用的能源对实现月基活动原位能源供给具有重要的意义，因此，本文提出了月球温差热电材料热伏发电技术和月球温差磁悬浮发电技术实施构想，将恒温层和月球表面间的温差转化为电能。现阶段本文的主要研究结论有：

1）月球温差热电材料热伏发电系统和技术直接利用月球表面与月壤月岩恒温层的温差和热电材料实现昼夜连续工作的热电转换，将月表辐射能（白天）以及月壤的热能（夜晚）连续转化为电能，具有工作稳定连续、安全可靠、寿命长、重量轻、无运动部件的优点，几乎可以满足所有空间能源系统的需求。

2）月球温差磁悬浮发电系统和技术利用氨–铝热虹吸管取热和磁悬浮透平发电机发电的方案将月球表面与月球月岩恒温层之间的温差转换为可直接利用的电能，具有无机械摩擦、发电效率高、发电量大的有点，是为月基活动提供充足能源供应的可行技术之一。

月球温差热电材料热伏发电技术和月球温差磁悬浮发电技术可为月球车装备、月基资源勘探开发、月球基地建设等月基相关活动提供稳定、持久、量级大的原位能源保障，为保证探月活动能源供给提供相关技术支撑。