2025年大學《空間科學與技術》專業(yè)題庫——星際能源與未來發(fā)展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述恒星能量產生的原理及其對星際能源利用的啟示。二、比較恒星能源采集技術（如太陽能帆、直接恒星能量收集）與深空核能技術（如RTG、空間核裂變反應堆）在原理、能量輸出、技術成熟度、優(yōu)缺點及適用場景方面的主要差異。三、闡述核聚變技術在空間能源應用中面臨的主要科學和工程挑戰(zhàn)，并分析實現(xiàn)可控核聚變用于太空能源的可能性與路徑。四、設計一個初步的概念方案，說明如何利用小型近地軌道衛(wèi)星收集太陽能量，并通過激光無線傳輸技術向月球基地傳輸電力。請簡述系統(tǒng)的主要構成、工作原理及需要克服的關鍵技術難點。五、討論將氦-3資源開發(fā)作為未來星際能源戰(zhàn)略的重要意義，分析其開采、運輸和利用面臨的科學、技術、經濟及政治挑戰(zhàn)。六、分析發(fā)展星際能源技術對人類深空探測活動（如火星探測、小行星采礦）產生的深遠影響。七、設想未來人類在火星建立永久定居點，論述需要哪些關鍵能源供應方案，并分析這些方案在火星特殊環(huán)境（如低重力、強輻射、溫差大、塵土彌漫）下面臨的具體挑戰(zhàn)及相應的適應策略。八、從可持續(xù)發(fā)展和社會影響的視角，探討大規(guī)模發(fā)展星際能源可能帶來的倫理、法律及國際合作方面的議題。試卷答案一、恒星能量產生于其核心區(qū)域通過核聚變反應（主要是氫聚變成氦）釋放的巨大能量。這一過程主要受質能轉換定律（E=mc2）支配，微小的質量損失轉化為巨大的能量輸出。對星際能源利用的啟示在于：1)提示了利用可控核聚變可能是獲取近乎無限、清潔能量的終極途徑；2)恒星能量（如利用光帆）是直接利用天體能量的另一種思路，但受限于距離和能量密度隨距離衰減；3)人類可借鑒恒星內部的能量產生和傳輸機制，開發(fā)更高效的能量轉換和利用技術。二、恒星能源采集技術（如太陽能帆、直接恒星能量收集）主要依賴光壓或直接吸收恒星能量，能量形式主要為動能或熱能。深空核能技術則利用核裂變或聚變反應釋放的電能或熱能。主要差異：1)原理：前者基于電磁相互作用，后者基于核力；2)能量輸出：核能密度遠高于太陽能，能量更集中、持續(xù)；3)技術成熟度：太陽能技術成熟，核能（尤其聚變）技術難度大；4)優(yōu)點：核能能量密度高、持續(xù)穩(wěn)定，不依賴天氣；太陽能技術簡單、無放射性；5)缺點：太陽能帆能量密度低、受距離平方反比影響大，易受空間環(huán)境干擾；核能技術復雜、有放射性安全、廢料處理問題；6)適用場景：核能適合高功率、長壽命、遠距離任務；太陽能適合低功率、中短途任務或作為輔助能源。三、核聚變技術面臨的主要科學挑戰(zhàn)包括實現(xiàn)穩(wěn)定的、能量增益的可控核聚變等離子體狀態(tài)（高溫、高壓、高密度、長脈沖），以及發(fā)展有效的約束技術（如磁約束或慣性約束）。工程挑戰(zhàn)則包括建造超高溫超導磁體線圈（磁約束）、超高速點火裝置（慣性約束）、高效能量轉換系統(tǒng)、輻射屏蔽結構、材料科學（耐高溫、耐輻照）以及小型化、輕量化設計以適應空間環(huán)境。實現(xiàn)可控核聚變用于太空能源的可能性在于其理論能量密度極高，且燃料（氘、氚）來源相對豐富。路徑可能涉及先在地面上實現(xiàn)聚變能量增益，再逐步開發(fā)小型化、空間適應性強的聚變反應堆或推進系統(tǒng)。四、概念方案：1)發(fā)電衛(wèi)星：部署在近地軌道（如地球同步軌道），配備大面積高效太陽能電池陣列或核反應堆，負責將太陽能或核能轉化為電能。2)傳輸系統(tǒng)：使用高功率激光系統(tǒng)，將電信號調制為激光脈沖，定向射向月球基地。需要大功率激光器、高精度光束指向與穩(wěn)定控制系統(tǒng)。3)接收系統(tǒng)：月球基地部署大型拋物面反射鏡和能量轉換裝置（如光電二極管陣列或熱電轉換器），接收激光能量并轉換為電能。4)儲能系統(tǒng)：配備大容量儲能單元（如電池），用于平滑能量供應、應對太陽活動或激光傳輸中斷。關鍵技術難點：1)高功率、高效率、長壽命的近地軌道衛(wèi)星電力系統(tǒng)；2)高能量密度的激光發(fā)射與傳輸技術，以及抵抗空間塵埃、輻射的影響；3)高效率、高可靠性的激光能量接收與轉換技術；4)月球端的長期自主運行、維護及能量存儲管理。五、將氦-3資源開發(fā)作為未來星際能源戰(zhàn)略重要意義在于：1)氦-3是核聚變反應的理想燃料，其反應產物（氦-4和正電子）無中子，沒有強烈的輻射，產生的放射性廢料極少，環(huán)境友好；2)氦-3能量密度高，產生的放射性污染小，適合空間應用。面臨的挑戰(zhàn)：1)科學挑戰(zhàn)：月球或小行星上氦-3的豐度、分布及開采難度評估；高效開采和提純技術。2)技術挑戰(zhàn)：極端環(huán)境下（如月球表面）的機器人開采、資源運輸（返回地球或直接在太空利用）技術。3)經濟挑戰(zhàn)：開采、運輸、處理成本極高，經濟可行性難以評估，缺乏成熟的產業(yè)鏈。4)政治挑戰(zhàn)：地緣政治格局影響太空資源開發(fā)權，國際條約協(xié)調，資源分配機制尚不明確。六、發(fā)展星際能源技術對人類深空探測活動影響深遠：1)提供強大、持久的動力源，使更遠距離、更大規(guī)模的深空探測任務成為可能，例如載人火星任務、太陽系邊際探測、甚至更遙遠的星際探索。2)支持高功率空間科學實驗和觀測設備，提升探測能力。3)使太空基地和定居點的建立更加現(xiàn)實，提供穩(wěn)定的能源供應，支持長期駐留。4)促進小行星采礦等資源利用活動，為深空探測提供物質基礎和經濟支持。5)可能改變人類文明的能源結構，推動地球能源轉型，并促進太空經濟和人類太空文明的可持續(xù)發(fā)展。七、火星定居點需要的能源供應方案可能包括：1)核能：利用小型核反應堆（RTG或SNFR）提供穩(wěn)定、高功率的能源，滿足基地主要負荷，尤其適用于電力需求大的工業(yè)生產和生命維持系統(tǒng)。2)太陽能：作為輔助能源，用于光伏發(fā)電，滿足部分峰值負荷或特定需求。3)火星本土能源：探索利用火星大氣（如氬氣、二氧化碳）或土壤（如稀土元素）進行能源生產的可能性。面臨挑戰(zhàn)及適應策略：1)能源傳輸損耗：若從地球運輸，需克服巨大能耗和成本；若利用本地資源，需解決開采、轉化技術。2)輻射防護：核能設施和基地本身需強大輻射屏蔽，應對火星稀薄大氣和宇宙射線。3)溫差與塵土：能源系統(tǒng)需能適應火星極端溫差，并具備防塵、抗磨損設計。4)自主運行與維護：能源系統(tǒng)需高度可靠、具備一定的自主診斷和維修能力。八、大規(guī)模發(fā)展星際能源可能帶來的倫理、法律及國際合作議題：1)倫理議題：太空資源的歸屬權（是“共同繼承的遺產”還是可自由開發(fā)），能源開發(fā)對地外天體環(huán)境可能造成的影響（如生態(tài)破壞、景觀改變），能源利益分配的公平性，人類對地外環(huán)境的責任與義務。2)法律議題：現(xiàn)