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• 月球基地的電量需達到國際太空站的水準，但月球的晝夜各長達半個月，和太空站一樣使用太陽能並不實際。
• 太空任務常以鈽－238 發電，但效率低且產量不足。於是NASA 推行使用鈾－238 的小型核電機，讓月球基地使用。
• 月球南北極可能存在適合使用太陽能的「永晝峰」，未來也會有像是小型模組核電廠等更多、更好的電源選項。

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。

放射性同位素熱能發電機所用的二氧化鈽－
238，在鈽－ 238 衰變時會釋放熱能，造成火熱的外表。（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。

月球表面的Kilopower 發電機想像圖。反應爐和史特林引擎位於下方，
氣化後的鈉由管路送到上方傘狀的散熱器，冷卻為液態後回到下方的史特林引擎。（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
前面說過，月球上有長達半個月的黑夜，非常不適合太陽能，不過還是可能會有例外。月球的轉軸傾角小，早在19 世紀就有天文學家認為月球南北極附近的山上可能存在著「永晝峰」，那裡不論任何季節永遠有陽光照射。儘管目前觀測的結果認為永晝峰未必存在，但月球上確實有幾個狹小的區域接近永晝，即使是在月球的冬天也能享有70％以上的白晝。

因為月球上的「山」常是隕石坑的外環，因此「永晝區」會是狹長的弧形。它們的面積不大，整個星球只有那裡能享受較充分的太陽能。不但如此，這些隕石坑內還可能是陽光永遠照不到的「永夜坑」，坑內億萬年來保持低溫，可能蘊藏豐富的冰供人開採使用。如果說月球上有房價指數，這裡有水又有電，絕對是最高價的稀有地段。

位於月球南極、直徑約21公里的的沙克爾頓隕石坑（Shackleton crater）的外緣。坑內的陰影區從未見過陽光，那裡的冰也沒有機會融化。根據NASA「月球勘測軌道飛行器」（lunar reconnaissance orbiter）的觀察，隕石坑外緣有三處全年有90％的時間被陽光照射，是個使用太陽能的好地方。（NASA/GSFC/Arizona State University）

未來選項

以上所說的技術都已有成熟的基礎，假以時日應可在十年內付諸實行。如果我們放眼更遠的未來，可能會有更多更好的電源選項。比如目前許多國家和公司在致力發展的小型模組化核電廠，它們的核子反應爐生產模式和製造客機相似，在工廠組裝完成，尺寸小到可放入貨櫃運送到電廠場址。這些核電裝置的功率以10000 kW 起跳，遠高於Kilopower，如果未來到月球表面的貨運能力大幅提高，甚至有可能在月球上設置小型模組化核電廠。

不只如此，依照先前的研究資料，月球上應有很豐盛的核融合燃料氦－ 3（helium-3），照理來說是核融合發電的理想地點，只可惜核融合是「再過20 年就能實現的科技」。目前我們仍無法預測核融合發電何時能在地球上實現，更何況是其他星球。

延伸閱讀
1. Karacalıo lu, G. (January 16, 2014). Energy Resources for Space Missions. Space Safety Magazine.
2. Gibson, M. A. et al. (2017). NASA's Kilopower Reactor Development and the Path to Higher Power Missions. 2017 IEEE Aerospace Conference, 1–14.
3. Robinson, M. (February 01, 2018). On the Rim! | Lunar Reconnaissance Orbiter Camera. Arizona State University. http://lroc.sese.asu.edu/posts/993