圖蟲創(chuàng)意

2025年，人類重返月球的步伐明顯加快。中國、美國、歐洲都加快了登月的步伐。盡管路徑各異，但方向一致——在月球上建立人類第一個(gè)可持續(xù)的地外基地。但在熱火朝天的登月計(jì)劃背后，一個(gè)現(xiàn)實(shí)又棘手的問題始終繞不開：月球上的電，哪里來？

你肯定會(huì)說，太陽能！

沒錯(cuò)，月球上沒有大氣遮擋，陽光直射；尤其在月球南極的“永照區(qū)”，每年約有80%的時(shí)間都能獲得陽光照射。太陽能無疑是最現(xiàn)實(shí)也最可持續(xù)的選擇。

但傳統(tǒng)的太陽能電池，真的不適合“登月”。因?yàn)樗鼈儾粌H貴、重還很“脆弱”。

目前將1公斤物資送上月球要花上百萬美元，傳統(tǒng)電池板又大又重，還得加一層厚玻璃封裝以抵御輻射和微流星體撞擊，運(yùn)輸成本飆升。貴就貴點(diǎn)吧，但最大的問題是：即使把傳統(tǒng)太陽能電池送到月球上，也不經(jīng)用。月球晝夜溫差高達(dá)300°C，而且沒有大氣保護(hù)，宇宙射線、太陽風(fēng)暴說來就來。這些環(huán)境因素能讓電池材料迅速老化。如果這些問題無法解決，月球能源系統(tǒng)將長期依賴地面運(yùn)輸與補(bǔ)給，難以實(shí)現(xiàn)真正的獨(dú)立與可持續(xù)運(yùn)行。

為破解這一難題，科學(xué)家們換了個(gè)思路：既然帶不上去，不如在月球上“自己造”太陽能電池。

2025年，德國波茨坦大學(xué)和柏林工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在《Device》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果，利用模擬月壤制成半透明“月球玻璃”，并涂覆高效鹵素鈣鈦礦材料，成功制備出可在月球就地生產(chǎn)的太陽能電池。這項(xiàng)成果為構(gòu)建月球自給自足的能源系統(tǒng)開辟了新路徑。

那么，這項(xiàng)突破的核心材料——“月球玻璃”，究竟是什么？”

月球表面覆蓋著由微流星撞擊和太陽風(fēng)形成的粉末狀月壤，富含氧化硅、氧化鋁和氧化鈣，正是地球上制造玻璃的主要成分。研究團(tuán)隊(duì)選用成分與真實(shí)月壤幾乎一樣的模擬物，在1550°C下熔融3小時(shí)后緩慢冷卻，成功制備出半透明的“月球玻璃”。

這種玻璃厚2mm時(shí)透光率達(dá)44%，減至1mm可達(dá)65%，雖不及地球高純玻璃，但足以作為堅(jiān)固且透光的太陽能電池基底。更關(guān)鍵的是，它具備抗輻射能力，不會(huì)因宇宙射線而變黃而影響太陽能電池的效率。這得益于其中天然的鐵雜質(zhì)，能在月球嚴(yán)酷環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。

有了這塊“天生適應(yīng)太空”的月球玻璃，研究人員開始打造真正可在月球使用的太陽能電池。

研究團(tuán)隊(duì)選用性能優(yōu)異的鹵素鈣鈦礦作為發(fā)電核心，曾在地球?qū)嶒?yàn)中達(dá)到23%的光電轉(zhuǎn)換效率。為提升電荷傳導(dǎo)效率，他們在月玻璃表面依次沉積了150nm厚的導(dǎo)電膜（ITO）和一層有機(jī)界面材料 MeO-2PACz，優(yōu)化電荷提取并減少能量損耗。這種多層結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定高效的月球電池打下了基礎(chǔ)。

為驗(yàn)證“月球玻璃”的性能，研究人員將其與常用的地球玻璃進(jìn)行了對比。

顯微鏡觀察顯示，月玻璃上的鈣鈦礦晶粒大小約31nm，與地球玻璃上的41nm非常接近，晶體分布均勻、無明顯缺陷，而且材料結(jié)構(gòu)同樣穩(wěn)定，證明其完全可勝任電池基底。而且光致發(fā)光量子效率（PLQY）測試顯示，月玻璃電池的PLQY達(dá)2.13%，遠(yuǎn)高于地球玻璃的1.46%，證明“月球玻璃”電荷傳輸更順暢，發(fā)電效率更高。

這些對比結(jié)果證明，月壤制成的玻璃不僅能透光，還能作為高性能太陽能電池基底，標(biāo)志著“在月球制造電力”邁出關(guān)鍵一步。

為評估“月壤玻璃+鈣鈦礦”太陽能電池的實(shí)用性，研究團(tuán)隊(duì)對其性能與穩(wěn)定性進(jìn)行了全面測試。

他們設(shè)計(jì)了三種結(jié)構(gòu)電池進(jìn)行對比：第一種使用不透明銅電極，效率為8.5%；第二種采用薄金屬電極，效率提升至9.4%；第三種使用透明導(dǎo)電膜，效率最高達(dá)12.3%，甚至略高于地球玻璃基底的12.1%。

在輻射測試中，月壤玻璃電池在模擬10年月球輻射后效率僅下降0.4%，遠(yuǎn)優(yōu)于地球玻璃電池的88%保持率。研究認(rèn)為，這得益于月玻璃中天然鐵元素的抗輻射作用。此外，電池還經(jīng)受住了模擬月球日夜溫差（+120°C至-170°C）的熱循環(huán)測試，未出現(xiàn)裂紋或性能衰減，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

在輕量化方面，鈣鈦礦電池同樣展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。1公斤鈣鈦礦材料可制備約400平方米電池，功率密度達(dá)22瓦/克，是傳統(tǒng)硅電池的幾十倍，適合火箭運(yùn)輸和月面快速部署。

這項(xiàng)研究不僅驗(yàn)證了“月壤+鈣鈦礦”電池的發(fā)電能力，更證明其在月球極端環(huán)境下具備長期穩(wěn)定運(yùn)行的潛力，是“在月球制造、在月球使用”能源系統(tǒng)的重要一步。

那月球上沒有高溫爐，怎么造“月玻璃”和太陽能電池呢？

研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)叫“月面就地制造系統(tǒng)（ISRU）”的想法。不用搬設(shè)備上月球，而是直接用陽光來加熱玻璃。他們設(shè)想用類似放大鏡的菲涅爾透鏡或拋物面鏡，把陽光聚焦，把月壤加熱到超過1500°C，直接熔成玻璃，全程不需要高壓或復(fù)雜環(huán)境。這套系統(tǒng)大約3噸重，可移動(dòng)，還能連續(xù)造電池。只需從地球帶少量有機(jī)材料和電極，其余原料全靠月壤。在現(xiàn)有技術(shù)下，部署成功后每天可產(chǎn)幾十平方米太陽能板，為未來的月球基地、科研站甚至工廠源源不斷供電。

這一技術(shù)離真正在月球上實(shí)施還有多遠(yuǎn)？應(yīng)用前景如何？

這項(xiàng)“把月壤變成太陽能板”的技術(shù)最大優(yōu)勢在于就地取材，能大幅降低運(yùn)輸成本，且月壤電池強(qiáng)度高、抗輻射，適合月球環(huán)境。但目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離真正應(yīng)用還有不少挑戰(zhàn)，如設(shè)備復(fù)雜、部分材料需地球供給、月壤成分不穩(wěn)定等。樂觀估計(jì)，至少還需5到10年技術(shù)積累和試驗(yàn)。

盡管如此，這項(xiàng)研究意義重大，不僅融合了材料、能源和航天技術(shù)，更為未來星球能源系統(tǒng)提供了低成本、高效率的新思路，是邁向太空可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一步。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：朱星 日產(chǎn)汽車電池工程師

審核：王軍強(qiáng) 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 創(chuàng)作培育計(jì)劃

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