科学家们很早就开始测试在太空中使用太阳能，但这种方式很快就可能登陆月球——以安装有太阳能电池板的探测器的形式。在无人月球任务中，这些小巧的机器人车辆将测试人类探索的动力极限，在月球表面导航，并在远离家园的地方建立潜在的人类栖息地。
这些探测器的团队包括总部位于匹兹堡的 Astrobotic 公司行星移动部门总监 Mike Provenzano。在 NASA 的合同下，这家机器人公司已计划在明年进行载有该探测器的无人月球任务。首次任务 Peregrine 1 定于 2021 年底进行。
这些旅程将代表一个重要的太空里程碑：这将是 50 年来美国首次登陆月球。
轻巧但强大的探测器
Astrobotic 公司最小的车辆 CubeRover，尺寸与微波炉相似，重达 5 磅——并将在其顶部安装一块太阳能电池板。他们的车队还包括稍大一些的 MoonRanger，重约 24 磅。
MoonRanger 将于 2023 年发射。Provenzano 表示，一旦到达月球，团队希望它能离开着陆设备，寻找月球南极附近的冰。近年来，科学家们在月球表面发现了水的踪迹。
Provenzano 解释说，CubeRover 的设计借鉴了可扩展的 CubeSAT 微型卫星，该卫星于 1999 年开发（并受到泰迪熊包装的启发）。
此后，CubeSAT 已成为由多个立方体模块组成的较大卫星的标准构建模块。他解释说，由于其尺寸和形状，CubeRover 可以携带与 CubeSAT 相同尺寸的有效载荷，因此空间合作伙伴可以基于熟悉的 CubeSAT 单位来规划更大的货物。因此，CubeRover 的设计者希望为“月球经济”和行星际货物运输设定标准。（观看 NASA 测试 CubeRover 机动性的视频。）
更具雄心地，Astrobotic 希望 CubeRover 能“普及月球访问，使商业和学术团体更容易参与这些科学任务”并设计他们在月球表面的实验，Provenzano 说。 Peregrine 1 的合作伙伴将来自六个国家，包括 DHL 和墨西哥航天局墨西哥航天局。
NASA 兰利研究中心的垂直太阳能电池阵技术（VSAT）项目经理 Chuck Taylor 大约在七年前开始研究地外太阳能。他说这是偶然的。在海军从事系统工程工作后，他加入了 NASA 的空间动力项目。凭借在自主系统方面的专业知识，兰利中心领导着 NASA 的太阳能研发工作，并与 NASA 格伦研究中心的太阳能电池专家合作。
对于极地任务，Taylor 考虑将大型太阳能电池阵安装在较高的桅杆上以获取太阳能。这将涉及垂直排列的太阳能电池板，这与地球上常见的不同。
Taylor 解释说，基本原理是，如果你在南极，太阳光线在地平线上的角度非常低。悬崖和其他地形特征，或者附近的着陆器，都可能在低矮的水平面板上投下阴影。
一旦太阳能电池板捕获了能量，它就可以存储在电池中或传输以供车辆使用。这种传输是通过电缆（Taylor 称之为“久经考验的方法”）或包括激光能量传输在内的新方法进行的。
太阳能的障碍
将太阳能探测器在月球表面飞驰的设想（如电影《星际探索》中所示）变成现实将很困难。Provenzano 表示，主要的障碍包括月球的极端温度、表面的辐射和月球尘埃。
但首先，设备需要承受发射。太阳能电池板很脆弱，在火箭离开地球以及着陆器下降到目的地时，必须抵抗散架。Astrobotic 行星移动团队的航空电子工程师 Cedric Corpa de la Fuente 正在实验室准备测试一个“结构模型”——太阳能电池板的复制品——在发射振动条件下，以验证探测器的面板能否承受。
月夜可能是两个探测器和面板面临的最大障碍。月球的暗面是残酷的：月球白天持续 14 个地球日，在月夜期间，温度会下降两周，降至零下 280 华氏度。为了让探测器在这种极冷的条件下生存下来，它需要储存足够的电力，以供在这漫长而黑暗的时期持续使用。车辆还需要足够的电力来运行加热器，以帮助设备承受严寒。而在漫长的月昼期间，面板需要承受比地球上任何地方都高的温度。
然后是尘埃。当月球沙子，即月壤，弄脏太阳能电池板时，会降低它们储存的能量并导致过热。月壤约由 50% 的二氧化硅组成，且具有很强的磨蚀性。Provenzano 指出，它会对探测器的关节和密封件造成严重破坏，并可能在设备内部引起火花。
随着春季疫情限制的放宽，Astrobotic 的测试恢复，以模拟探测器在如此严酷的月球光照和尘埃条件下的导航。团队监测尘埃对探测器运动及其太阳能电池板的影响，以及月壤如何堵塞电池板。
导航是另一个难题，因为探测器不像我们在地球旅行时那样可以依赖谷歌地图或 GPS。对于 MoonRanger，着陆器上的摄像头将拍摄一系列照片，以创建其着陆地点周围区域的高分辨率地图。部署后，探测器将拍摄自己的照片以辅助导航。然后，使用立体视觉和视觉里程计（通过分析相机图像确定位置和方向的过程）的软件将创建与着陆器的高分辨率地图相匹配的本地地图。
Corpa de la Fuente 补充说，这种导航技术有点类似于古代波利尼西亚人的导航方式，他们会比较洋流和恒星的运动。团队还将跟踪太阳的位置，并投射激光图案到表面以构建 3D 地表地图。
一旦 CubeRovers 到达月球，它们就需要足够的电力来离开着陆器。这就是 Astrobotic 与专注于工业和水下无线充电的公司 WiBotic 合作开发无线充电站的原因之一。通过智能对接软件，探测器可以自行定位充电中心，一旦进入范围即可开始充电。
得益于 125 瓦的充电系统和一个与充电式钻头电池组大小相似的电池组，最小的探测器应能在短短 90 分钟内完成充电。探测器可以通过组成阵列来自我充电，这种概念被称为“集群技术”。
它们还可能配备配件：英国公司 Spacebit 开发了微型探测机器人，可以安装在 CubeSat 中。他们的 Asagumo 探测器是一款重约 2 磅的四足机器人；他们计划在 Peregrine 1 上进行演示（参见视频）。
总而言之，任务团队有很多事情要做。Provenzano 低语说：“航天器可能死亡的方式太多了。”但探测器的潜力令人兴奋。“如果 [MoonRanger] 找到冰，它将是第一个在另一个行星体上发现冰的探测器。所以我们非常激动。”
无人月球试驾也可能为太阳系内其他地方的探险（包括地球）提供经验教训。例如，Provenzano 说，改编用于月球的无线充电器可能在“恶劣的辐射环境”中很有用，例如核电站，在那里它们可以比传统的有线方法更有效地为传感器供电，以监测温度和压力。
