《Energy Conversion and Management-X》：Integration of space based solar power into a scaling lunar ISRU based infrastructure and economy
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本研究为解决未来月球经济可持续运行所需的大规模能源供给问题，探讨了四种基于太空太阳能发电（SBSP）的架构，涵盖地球与月球制造、月表与轨道部署方案。通过集成系统建模与蒙特卡洛模拟，量化比较了不同架构的平准化能源成本（LCOE）、发电容量与系统现值。结果表明，在地表部署地球制造面板的LCOE最低（约1.24 /kWh），而月球原位资源利用（ISRU）制造的面板在轨道发电的LCOE最高（约387.25/kWh），但月球制造面板在月表部署方案（LCOE约32.13 $/kWh）展现出支持可持续ISRU月球经济的潜力。研究强调，快速规模化与关键技术（如熔融月壤电解提取效率、功率传输效率）的提升可显著降低成本，为未来月球能源架构选择与ISRU技术发展提供了重要决策依据。
随着人类对月球探索的雄心从短暂的访问转向长期驻留与可持续开发，如何为未来的月球基地、采矿作业、科学实验和生命保障系统提供稳定、充足的能源，成为一个亟待解决的挑战。月球环境严酷，长达14个地球日的月夜使得传统的太阳能发电面临巨大限制，而核能系统又受到燃料获取、地缘政治以及辐射安全等问题的制约。因此，探索一种能够大规模、可持续供能的解决方案至关重要。太空太阳能发电（Space Based Solar Power， SBSP）——即在空间收集太阳能并将其传输至用户——被视作一种有潜力的途径。然而，将太阳能电池板从地球运往月球成本高昂，且依赖持续的物资补给，这与建立自给自足的月球经济愿景相悖。于是，研究人员将目光投向了月球本身丰富的资源，提出了一个前瞻性的构想：能否利用月球上的材料，直接在月球上制造太阳能电池板，为月球活动供电？这不仅关乎能源独立，更可能是开启一个以月球原位资源利用（In-Situ Resource Utilization， ISRU）为核心的、真正可持续的月球经济的关键钥匙。
为了深入评估这一构想的可行性，一项发表在《Energy Conversion and Management: X》上的研究，由Connor J. MacRobbie、Madelyn MacRobbie、Mark Sun和John Z. Wen共同完成，他们建立了一个综合性的技术经济模型，对四种不同的太空太阳能发电架构进行了详细的量化比较与前景分析。
研究者们采用了集成系统建模与蒙特卡洛模拟相结合的技术方法。他们首先构建了一个涵盖从原料开采到电力输出的完整系统流程图，关键子系统包括月壤开采、熔融月壤电解（Molten Regolith Electrolysis， MRE）提取金属、月球表面太阳能电池制造、运输与组装，以及对于轨道架构而言不可或缺的功率传输（无线能量传输）系统。为了应对未来技术参数的不确定性，研究为每个子系统的性能指标（如效率、成本、寿命、吞吐量）和外部经济参数（如发射成本、贴现率）设定了概率分布，而非单一固定值。通过运行上万次蒙特卡洛模拟，模型能够计算出关键输出参数（如平准化能源成本、发电容量、系统净现值）的平均值及其置信区间，从而全面评估各架构在多种未来情景下的表现。模型特别设定了为期25年的建设与规模化期，以及后续25年的发电运营期，总计50年的分析周期，并假设基地位于月球南极以利用较高的日照率。
研究结果
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四种架构的量化比较：研究对比了（A）月球制造、月表部署；（B）月球制造、轨道部署并向月表传输；（C）地球制造、月表部署；（D）地球制造、轨道部署并向月表传输。这四种架构。
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平准化能源成本：模拟结果显示，LCOE差异显著。地球制造月表部署架构成本最低，均值约为1.24 /kWh。月球制造月表部署架构的LCOE均值为32.13/kWh，而地球制造轨道部署架构为54.51 /kWh。成本最高的是月球制造轨道部署架构，LCOE均值高达387.25/kWh。值得注意的是，月球制造月表方案的LCOE与地球制造轨道方案处于同一数量级。
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发电容量与能源产出：在25年建设期结束时，月球制造月表架构的平均发电容量可达约53 MW，远超其自身ISRU系统运行所需的约9.5 MW，这意味着有超过43 MW的盈余电力可用于推进剂生产、栖息地供电等其他用途。相比之下，月球制造轨道架构的平均容量仅约7.2 MW，可能不足以完全支持其自身的制造系统运行。
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经济可行性分析：在净现值（Net Present Value， NPV）方面，仅有地球制造月表架构在模拟中平均表现为正值（约419.5亿美元）。月球制造月表架构的NPV均值虽为负（约-51.8亿美元），但其95%置信区间上限为正，表明在有利条件下仍可能实现经济可行性。所有轨道部署方案的NPV均值均为负值。
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敏感性分析：研究通过斯皮尔曼相关分析确定了影响各架构LCOE的关键技术参数。对于月球制造架构，熔融月壤电解系统的资本成本以及太阳能电池板的效率是最敏感的因素。对于地球制造轨道架构，功率传输系统的资本成本和效率则成为主导因素。地球制造方案的LCOE对面板成本和发射成本较为敏感。
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规模化速率与时间的影响：额外的情景分析表明，对于月球制造月表架构，缩短建设周期但达到相同最终容量（快速规模化）可以降低长期LCOE（均值降至约25.75 $/kWh），但会显著增加系统现值成本。反之，仅进行小规模、短周期建设则会导致单位发电成本上升。
研究结论与讨论
本研究通过建模分析得出结论，虽然完全依赖月球原位资源制造的太空太阳能发电系统不太可能成为未来月球经济的唯一驱动力，但其作为一种互补性的能源解决方案具有重要价值。特别是月球制造、月表部署的太阳能发电架构，展示了在支持可持续ISRU月球经济方面的潜力。它能够在满足自身能源需求的同时，产生大量盈余电力，促进月球表面工业、探索和居住活动的扩展。
研究的意义在于为未来的月球能源战略规划提供了量化的决策工具和清晰的见解。它强调了架构选择需与任务目标紧密匹配：追求最低能源成本可选择地球制造月表方案；若目标是最大程度利用月球资源、减少对地球供应链依赖并推动ISRU技术发展，则月球制造月表方案是一个值得考虑的选项。而轨道部署方案，尽管成本高昂，却能提供对月表移动设备和偏远地区的灵活电力传输能力，适用于扩展探索范围。
论文也指出了模型的局限性，例如假设使用熔融月壤电解技术、位于月球南极、子系统全自动化运行等。未来，该模型可进一步扩展，用于评估太空太阳能发电与其他ISRU应用（如推进剂或氧气生产）的协同效应，从而更全面地优化月球资源利用和整体经济模式。这项研究不仅为太空太阳能发电的技术经济评估设立了新标杆，也为人类构建一个真正自持的月球前哨乃至迈向更深远太空，提供了关键的能源解决方案思路。
