Ali Pourahmad 的发明 | 类别：世界新发明 | 相关：科学发现与技术发明
利用太阳能-机械能转换系统在月球会合期（两周月昼和两周月夜）进行长期储能
◉ 发明：在月球上的发电厂中长期储存电能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：发明家的新发明
◉ 引言和目标:
在本文中，我们将简要介绍一种将太阳能转化为机械能并将其回收转化为电能的系统发明，以解决月球上的长期能源存储问题。
月球上昼夜时长与地球相比存在显著差异，无论是时间还是温度都截然不同。这些差异几十年来一直是严峻的挑战，限制了人类在月球上的长期居住，也阻碍了航天机构从耗资巨大的研究项目中取得预期成果。近年来，尽管可以向月球发射配备人工智能和远程控制系统的机器人，但人类对长期居住和再次踏上月球的兴趣却与日俱增。因此，航天研究人员、天体物理学家和航天工业工程师仍在不断探索实现人类长期在月球上生活的最佳方案。
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◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：发明家的新发明
显然，由于目前无法长时间储存能量，在月球上长期居住是不可能的。但人们已经提出了一些解决方案，例如在月球上使用小型核裂变反应堆。当然，由于这种小型反应堆的发电能力非常有限，无法在漫长的月夜期间为大型空间站提供持续的高压电力，因此该方案也需要更长的研发时间和进度。正如尼尔·德格拉斯·泰森教授（天体物理学家，哈佛大学教授，纽约海登天文馆馆长）在一次采访中所说："这种专为太空和月球表面设计的新型核反应堆只能产生100千瓦的电力。"值得注意的是，这大约只有启动并运行一台普通吹风机所需电量的九分之一。看来，美国宇航局领导的阿尔忒弥斯计划（旨在登月）或其他任何航天机构都不愿为此投入大量资金。
为了更好地理解这一挑战，我认为有必要指出，月球的温度变化范围很大，赤道最高可达华氏250度（摄氏120度），而月球白天的夜晚最低可达华氏零下208度（摄氏零下130度），当然，月球两极的温度还会更低。在定义一天时，通常以两次正午或日落之间的时间作为计量标准。我们知道，地球上的一天是24小时，而月球上的一天是708.7小时（相当于29.53个地球日），这被称为会合周期。考虑到会合周期，我们可以看出，月球上的一个月球日和一个月球夜大约相当于地球上的14个地球日。月球的会合周期比其天文周期长约2.2天。
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◉ 类别：发明家的新发明
根据科学数据，地球倾斜角度为23.4度，自转速度约为1670公里/小时。因此，地球上一个完整的天文日需要地球自转一周，相当于23小时56分4秒。天文日的计时是以一颗遥远的恒星（太阳除外）为参考点，即该恒星绕地球公转一周所需的时间。与此同时，月球以1.022公里/秒的速度绕地球公转，其椭圆轨道大约每27.3个地球日完成一次。月球自转一周所需的时间是通过其绕地球公转一周所需的时间计算得出的，这一过程称为同步自转或潮汐锁定，这也是为什么从地球上看，我们总是只能看到月球的一面。
现在我们更清楚地认识到，在月球上长达14个月球夜的完全黑暗环境中，在零下约200摄氏度的温度下进行永久或临时居住，需要的是可靠稳定的能源，而不是功率仅为100千瓦的核裂变反应堆。另一方面，由于化学性质和物理结构的变化，即使是目前最先进的新一代电池，也尚未具备在零下200摄氏度的温度下长期储存电能的能力。因此，将太阳能电池板在月球日（相当于14个地球日）产生的电力储存在电池中，供月球夜（相当于14个地球夜）使用的想法是不可行的，而对于严重依赖电力的人类来说，在这样的空间站定居当然是不可能的。为了解决这个问题，我设计并创造了"月球发电机"的概念，或者说是一个将太阳能转化为机械能的系统，旨在长期储存能量，供月球上长达354小时的月夜使用。本文的技术描述部分将详细介绍"月球发电机"的工作原理和系统结构。
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◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：发明家的新发明
◉ 本发明技术说明:
由于月球没有大气层，阳光直接照射到月球表面，不受任何过滤或减弱。这意味着即使在最倾斜的地平线位置（日落或日出时太阳的位置），月球吸收和接收的辐射强度也与太阳直射月球时相同。这种优势使得太阳能电池板在整个14个月球日内都能以最高效率吸收阳光，而无需任何大气过滤，这对于利用太阳能电池板发电至关重要。然而，在月球第14个夜晚，由于完全日落和绝对黑暗，我们必须将白天产生的电力存储在机械系统中作为储能装置。我将这种创新的机械弹性系统命名为"月球发电机"，作为在月球表面极低温度下无法使用电池时的替代方案。
◉ 发明：在月球上的发电厂中长期储存电能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：发明家的新发明
太阳能-机械能转换系统的结构设计考虑了从地球发射的可能性、在月球表面部署的可能性以及主体结构合金在极低温度下的耐腐蚀性等因素。因此，正如本文末尾的图片和视频所示，我将每个"月球发电机"的外部结构设计成圆柱形，旨在使其与发射台物理匹配并与运载火箭连接，降低气动不稳定性系数，在高速度和大气压下保持结构推力，降低摩擦系数，并在进出地球大气层时控制推力和阻力系数。这种设计有助于航天机构使用一枚火箭在一次发射阶段发射2到3个圆柱形"月球发电机"，从而显著降低发射成本和项目进度安排。
◉ 发明：在月球上的发电厂中长期储存电能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：发明家的新发明
每个"月球发生器"圆柱体都配备一个折叠底座，着陆月球表面后，该底座负责将"月球发生器"稳定并使其与连接面保持45度角。由于月球表面重力极低（约为地球重力的六分之一，即1.6米/秒²），底座与发生器的连接无需像在月球表面那样进行复杂的展开和平衡，因为结构重量减轻了。其展开和部署的机械步骤既可以通过智能机器人远程控制，也可以由人工近距离安装。需要注意的是，本文图片和视频中"月球发生器"的尺寸比例略大于我最初设计的3D动画模型，以便更清晰地展示每个圆柱体的整体结构和内部细节。因此，如果该方案得以实施，每个"月球发生器"圆柱体的实际尺寸将小于本文中的3D图像。
月球发电机由以下部分组成：零压保护体、用于将机械能转化为电能的发电机、带有9个混合齿轮的保护腔（用于传递和转换速度和扭矩）、带有7个线性机械臂的可伸缩液压泵，以及一根柔性弹性铍棒。太空发电机具有承受零压载荷和大气层外高低温环境的特性，因此，构成太空发电机的合金材料必须具备高强度、高导电性、优异的抗疲劳性能以及优异的柔韧性和弹性。基于此，我选用了一款具备上述特性的太空发电机，并将其安装在"月球发电机"中。
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在月球上为期两周的月日里，太阳能电池板接收太阳辐射的热量，并将所需的电力分成两部分。第一部分也是主要部分用于空间站上的电子设备和重要设施，第二部分，也就是剩余的电力，则用于启动"月球发电机"。换句话说，这些剩余电力并没有像在零下近200华氏度的低温下那样储存在电池中（电池无法储存电力），而是以机械能的形式储存在发电机中。其工作原理是：在为期两周的月日里，发电机运转时，液压泵会将弹簧状的铍棒压至最大压力。这种压力会在354个月日内逐渐达到。
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如本文末尾视频所示，液压泵配备有7个沿直线运动的圆柱形臂。这些臂在混合齿轮箱齿轮施加的压力下彼此分离，从而挤压铍棒。随着泵压的持续增加以及由符合ASTM B197标准的铍铜合金制成的弹簧棒材料的阻力，发电机智能地消耗更多能量，以在混合齿轮箱中产生更大的扭矩。这个过程缓慢持续2个月球日，直到泵的7个圆柱形臂全部沿直线打开，储存机械能的弹簧棒处于最大压缩和回缩状态。此时，我们已成功将太阳能电池板的能量以柔性弹性机械能的形式储存在铍棒中，以供其他用途。
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◉ 类别：发明家的新发明
我之所以选择ASTM B197铜铍合金作为弹簧杆的结构材料，原因之一是它具有极高的柔韧性和延展性，以及优异的冶金韧性（材料在断裂前吸收能量并发生塑性变形的能力）。这些独特的性能能够防止弹簧杆在月球表面极高或极低的温度下变脆断裂。ASTM B197铜铍合金具有高强度、高导电性、优异的抗疲劳性和优异的物理性能，即使在大气层外的极端温度下也能保持良好的性能，因为它能够在极低温度（低于-328华氏度或-200摄氏度）下轻松保持其机械性能，这正是我在月球上实现设计构想所需要的。除了这些优异的性能外，ASTM B197铜铍合金还具有非磁性和不产生火花的特性，使其适用于太空中的紧急情况或意外事故。这就是为什么 ASTM B197 铜铍被公认为航空航天、低温和精密仪器行业的主要基础材料的原因。
在铍弹簧杆达到最大收缩状态，月球进入长达14天的黑暗严寒的月夜之后，现在需要利用机械储能来发电。此时，将液压泵复位锁释放回原位，由于铜铍杆极高的弹性和韧性，泵的7个圆柱臂会受到铜铍杆强烈的回弹力，开始收缩。在14个月夜期间，随着7个圆柱臂逐渐收缩，混合齿轮箱持续反向旋转，并将扭矩转换并传递给齿轮箱内的小齿轮，从而带动发电机轴高速旋转，最终产生持续电力，以度过月夜。
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◉ 类别：发明家的新发明
正如本文图片和视频所示，我设计的月球发电厂没有配备任何遮蔽物，以便更清晰地展示和理解各个部件的详细布局和系统运行原理。然而，为了最大限度地提高材料韧性，可以将一部分太阳能电池板放置在配备智能温控系统的封闭式遮蔽物内。这样一来，温度变化对发电机、水泵和铍棒等部件造成的损害可以减少一半，从而更好地保证月球上持续高效的电力生产。该遮蔽物的温度控制系统还可以利用多余的初始电力，在每个月相周期内产生热量或冷气。
在月球上建造一座无需担忧能源生产的基地一直是人类长久以来的梦想。无论是在太阳系内外，在更遥远的距离上直接利用未经过滤的太阳光都是不可能的，也不合理。为了在深空和绝对黑暗的环境中产生更多电力和电压，核裂变技术的发展必须达到更高的效率。然而，迄今为止，阻碍月球科研项目进展的挑战在于，由于缺乏利用太阳强大辐射并持续产生能源的有效方案，长期驻留成为一大难题。因此，我提出的新方案可以降低成本和预算方面的财务风险，从而对太空科研项目的投资者更具吸引力；而且，从工程实施的角度来看，该方案也具备在月球上进行各种规模部署的潜力。
◉ 发明：在月球上的发电厂中长期储存电能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：发明家的新发明
与其他发明一样，这项发明也具有进一步发展和优化的潜力，通过建造这样的发电厂，可以为消除在月球上长期居住的限制做出重大贡献。
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◉ 利用太阳能-机械能转换系统在月球会合期进行长期储能的视频 / 类别：发明，作者：阿里·普拉赫迈德
◉ 本视频动画创作者：Ali Pourahmad
◉ 本视频的音乐作曲家：Ali Pourahmad
◉ 叙述者：阿里·普拉哈迈德
◉ 语言：英语
◉ 字幕：无
关于本文的发明者和作者:👇
文章内容涉及与太空相关的科学发明 :
◉ 发明了具有耐热能力的高压（零压）气球，使其能够承受阳光照射
◉ 阿里·普拉哈迈德的科学发明
◉ 阿里·普拉哈迈德的科幻电影
◉ 阿里·普拉哈迈德奖
◉ 阿里·普拉哈马德的画作
◉ Ali Pourahmad 器乐
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