人類若想長期居住在月球，靠核能、太陽能可以維持所需電力嗎？

文：火星軍情局局長（作家兼部落客）

由美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）主導的新登月計畫（Artemis program）預計在2025年載人登月，並期望未來能在月球上建立可讓人長期居住的永久基地，如同現在的國際太空站一樣。此外，中國和俄羅斯也在2021年宣布合作建造「國際月球科研站」。如無意外，人們夢想多年的月球基地終將實現。

撇開在月球進行科學研究，光是想讓太空人在月球上生存就必須循環回收氧氣和水、開採月球上的冰、種植食用植物，此外還需要空調、電腦、通訊、科學儀器、月球車、開礦、蓋房子等⸺而發展這一切的關鍵要素就是「電力」。

月球基地需要多少電？我們參考現在國際太空站的發電量粗略估計，它的電力全來自太陽能板，在陽光直射下最大發電功率為240千瓦（kW），大約等同一般大樓緊急供電的備載柴油發電機的功率。縱使不算富裕，月球基地所需要的電量功率也希望能達到這個水準。

太空站每93分鐘繞地球一圈，其中平均約35分鐘會繞到地球的陰影面，因此電池只須撐過這段黑暗期即可；但是月球不同，它的一個「晝夜」長度總共是一個月，白晝與黑夜各長達半個月。以中國在月球上的玉兔號月球車為例，它到了黑夜時便會處於休眠狀態，等到白晝有電時再醒來。太空人不能冬眠，月球基地如果也仰賴太陽能，就需要至少能撐過半個月的電池，還必須在白晝時連續充電長達半個月？這聽起來並不切實際。

那麼以目前的技術水準，有哪些技術可行、經費允許的發電方案呢？選項其實不多，主要還是核能，或在特殊情況下使用太陽能。

1. 核能

放射性同位素熱電機

有一種持久、體積小、重量輕、使用可靠的核分裂電源，多年來普遍用於太空任務，它就是「放射性同位素熱電機」（radioisotope thermoelectric generator, RTG）。RTG能夠利用「熱電偶」（thermocouple）原理將溫差轉變為電能，冷的一端是太空絕冷的環境，熱的一端是RTG內部高純度的放射性物質，在衰變過程中自然釋放熱能。

RTG不需任何移動件，也幾乎不會故障。美國太空船常用半衰期長達87.7年的鈽－ 238（plutonium-238）來推動RTG，例如1977年發射的航海家1號（Voyager 1），即使距離地球已經超過150個天文單位（astronomical unit, AU），但在這55年來仍然有足夠的電力維持運作，依靠的就是太空船上的RTG。

圖片來源：Los Alamos Natıonal Laboratory

既然有這麼好的東西就拿來用啊！可惜RTG有幾個致命的缺點。第一，以溫差轉變為電能的熱電偶過程效率極低，例如毅力號（Perseverance）火星車上的RTG只能產生110瓦（W）的電，月球基地再怎麼寒酸也要具備上百個RTG才行。

此外，第二個致命的缺點：地球上沒多少鈽－238。現存大部分的鈽－ 238是冷戰時製造核子武器的副產品，1988年後美國就不再製造。目前，毅力號已用了4.8公斤、完成探測土星的卡西尼號（Cassini–Huygens）則用掉33公斤。現今NASA 手上能用的鈽－ 238大約只有20公斤，而美國能源部每年只生產兩公斤⸺很明顯，RTG是條死路。

小型核電機Kilopower

NASA從2015年開始推行的研發計畫「Kilopower」就是要取代RTG。計畫中的小型核電機可涵蓋1～10Kw電力，能連續運行12～15年。它們不但能用於月球或火星的基地，也可以在未來的太空船上提供新一代推進器所需的電力。

Kilopower捨棄取得不易的鈽－238，改用含有高純度的鈾－ 238（uranium-238）的合金燃料棒為熱源。燃料棒外面被氧化鈹（beryllium oxide）反射層包覆以擋住輻射，內部則有能吸收中子的碳化硼（boron carbide）控制棒調節核反應。傳統核反應爐裡面該有的主要組件Kilopower都有，生產一般核電燃料棒設備的廠商就能為Kilopower製造它的燃料棒，不像RTG的燃料有取得不易的問題。

Kilopower捨棄熱電偶，同時改用史特林引擎（Stirling engine）將熱能轉換為引擎的動能推動發電機轉換為電能。雖然通過好幾次轉換，但是熱電轉換率還是可達到約25％，比熱電偶的6％高得多。

一般的火力發電廠使用水蒸氣當作工作流體，在蒸汽機裡做以下的熱循環：

1. 水在鍋爐受熱後快速膨脹成水蒸氣。
2. 蒸氣推動渦輪。
3. 蒸氣冷卻為水。
4. 泵浦把水打入鍋爐，再回到（1）不斷循環。

圖片來源：NASA

Kilopower使用的史特林引擎中熱力循環也類似，但工作流體不是水而是在一大氣壓下的熔點為98℃、沸點883℃的液態鈉（sodium, Na）。以熱力學的史特林循環將液態鈉氣化後推動往復式的活塞，再帶動發電機。火力發電廠使用的熱力循環一般是朗肯循環（Rankine cycle），Kilopower選用的史特林循環（Stirling cycle），比較適合小型、追求高效率而不擔心高成本的應用。

NASA在2018年成功展示Kilopower 原型機的運作，並在去（2022）年與美國能源部共同發包給三個民營核能工程團隊，希望能產出40 kW 級的發電機給月球基地使用。

2. 太陽能