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聽(tīng)說(shuō)火星上風(fēng)很大,“祝融號(hào)”火星車(chē)可以用風(fēng)力發(fā)電嗎?
來(lái)源: | 作者:郭光星 | 發(fā)布時(shí)間: 2021-10-01 | 1173 次瀏覽 | 分享到:
聽(tīng)說(shuō)火星上風(fēng)很大,“祝融號(hào)”火星車(chē)可以用風(fēng)力發(fā)電嗎?
2021-05-24來(lái)源:科學(xué)大院作者:郭光星

2021年5月22日,“祝融號(hào)”火星車(chē)安全駛離著陸平臺(tái),到達(dá)火星表面,開(kāi)始巡視探測(cè)。在火星表面工作期間,火星車(chē)將按計(jì)劃開(kāi)展巡視區(qū)環(huán)境感知、火面移動(dòng)和科學(xué)探測(cè)。

人要干活,就得好好吃飯。同樣,要讓火星車(chē)完成各種任務(wù),就需要供給穩(wěn)定的能量。那么,在探測(cè)火星期間,“祝融號(hào)”火星車(chē)的能量來(lái)源是什么?火星上也刮風(fēng),“祝融號(hào)”火星車(chē)能用風(fēng)電嗎?

著陸火星后的“祝融號(hào)”火星車(chē)藝術(shù)效果圖(圖片來(lái)源:國(guó)家航天局)

航天器的能量來(lái)源

太陽(yáng)能是絕大多數(shù)航天器進(jìn)入太空后主要的能量來(lái)源??臻g站和人造衛(wèi)星等航天器一般都有一雙光伏電池“翅膀”,通過(guò)將光能轉(zhuǎn)化為電能,保障內(nèi)部?jī)x器設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于太空不存在陰天、光線散射等情況,因此發(fā)電效率要比地球高得多,基本可以滿足其內(nèi)部的能源需求。

蘇聯(lián)建造的聯(lián)盟號(hào)飛船(圖片來(lái)源:Pixabay)

當(dāng)然,太陽(yáng)能也是絕大多數(shù)的火星車(chē)、月球車(chē)等空間探測(cè)器的能量來(lái)源,但并不是唯一的選擇。為了保證可靠的性能,提供較大的功率,NASA“好奇號(hào)”火星車(chē)就利用核電池進(jìn)行供電。

北京時(shí)間2月19日凌晨4時(shí)55分,“毅力號(hào)”(Perseverance)火星車(chē)不經(jīng)變軌直接突入火星大氣層,率先登陸火星地表,開(kāi)啟本輪火星探測(cè)的新階段。不可否認(rèn)的是,核電池能量密度極高,是星際旅行的最佳能源方案。在未來(lái)的深空探測(cè)計(jì)劃中,核電池會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。這輛尺寸和小型汽車(chē)相近的火星車(chē)是人類(lèi)歷史上第二個(gè)核動(dòng)力火星探測(cè)器,所需能源全部由多任務(wù)同位素溫差電源提供。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,美國(guó)同位素核電源技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟,預(yù)計(jì)在美國(guó)未來(lái)的深空任務(wù)中,同位素電源的使用會(huì)愈加頻繁。但目前核電池的制造成本過(guò)于高昂,還會(huì)產(chǎn)生放射性廢物,技術(shù)上還有極大的提升空間。因此,在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),太陽(yáng)能電池仍舊是多數(shù)航天器的標(biāo)準(zhǔn)配置。

“好奇號(hào)”火星探測(cè)車(chē)(圖片來(lái)源:Pixabay)
核電池示意圖(圖片來(lái)源:NASA)

在深空中,航天器能依靠的只有太陽(yáng)能與核能,但一旦登陸火星,對(duì)太陽(yáng)能的利用就大打折扣了。由于火星的陽(yáng)光密度低,并且存在長(zhǎng)達(dá)半年的黑夜期。在這期間,太陽(yáng)能電池完全無(wú)法發(fā)揮作用。而蓄電池儲(chǔ)存能力有限,火星車(chē)只能休眠等待下一次的光照。此外,宇宙射線過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)電池失效,陽(yáng)光太弱則難以保證電力的穩(wěn)定輸出。有沒(méi)有其他的能量來(lái)源供火星車(chē)?yán)媚兀?/p>

火星豐富的風(fēng)資源

不同于處于真空環(huán)境中的月球,火星具有大氣層,主要是由二氧化碳(95.3%)、少量的氮?dú)?、氬氣、氧氣和水汽組成的。觀測(cè)結(jié)果顯示,由于缺少地磁場(chǎng)的保護(hù),太陽(yáng)風(fēng)(來(lái)自太陽(yáng)的高速粒子流)會(huì)在火星外層產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng),加速大氣中帶電粒子逃逸至太空中,使得火星的大氣層異常稀薄,而大氣的存在意味著火星上會(huì)產(chǎn)生風(fēng)。

2018年12月,NASA通過(guò)“洞察號(hào)”(InSight)火星車(chē)內(nèi)部的探測(cè)儀器,意外地采集到了火星上風(fēng)的“聲音”,預(yù)計(jì)風(fēng)速在每秒4.5~6.7米,人類(lèi)的耳朵首次聽(tīng)到了地球之外的風(fēng)聲。此后的一段時(shí)間內(nèi),“洞察號(hào)”檢測(cè)到的最強(qiáng)風(fēng)力達(dá)到了28m/s。

為什么火星上會(huì)刮風(fēng)呢?本質(zhì)上,風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種間接表現(xiàn)形式,地面各個(gè)區(qū)域接收到太陽(yáng)輻射強(qiáng)度存在差異,導(dǎo)致氣體在溫差和壓強(qiáng)作用下產(chǎn)生流動(dòng),從而形成了風(fēng)。由于大氣和海洋的保溫控溫作用,地球的晝夜溫差不大。與之相比,稀薄的大氣使得火星的保溫效果很差——受太陽(yáng)烘烤的一面,溫度在35℃左右,而背陰面可降到-70℃,冷熱氣體之間形成巨大的壓力差導(dǎo)致了強(qiáng)風(fēng)的產(chǎn)生。

可以在火星車(chē)上安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)嗎?

火星上蘊(yùn)含著豐富的風(fēng)能資源,風(fēng)力強(qiáng)勁,可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電,但發(fā)電效率極低。其原因是火星的大氣密度大約只有地球的1%,這意味著平均風(fēng)速要接近于地球上的4.5倍才能產(chǎn)生相當(dāng)?shù)陌l(fā)電量。

直觀來(lái)說(shuō),火星上的風(fēng)力發(fā)電似乎毫無(wú)優(yōu)勢(shì)。不過(guò),對(duì)依賴(lài)于光伏電池的火星車(chē)而言,風(fēng)能雖然不能為火星車(chē)提供充足的電力,但在上面安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī),采用微風(fēng)發(fā)電模式,將風(fēng)能作為一種可靠的互補(bǔ)能源,可以讓其在黑夜期或遭遇沙塵暴時(shí),保證能源的供應(yīng)。

地球和火星上的風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率對(duì)比(紅色:地球,黑色:火星)(圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)4)

2010年秋天,丹麥奧胡斯大學(xué)(Aarhus University)的科研人員在風(fēng)洞“模擬器二號(hào)”(Simulator Ⅱ)中模擬火星大氣條件下工作的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī),研究結(jié)果肯定了在火星上使用風(fēng)能的可能性。

其實(shí),早在20世紀(jì)80年代,馬里蘭大學(xué)(University of Maryland)的科學(xué)家亨利·哈斯拉赫(Henry W. Haslach)就論證了人類(lèi)移民火星時(shí)利用風(fēng)能的可能性。為提高火星上風(fēng)能的輸出功率,他提出了一個(gè)大膽而有趣的想法——將貨運(yùn)飛船??吭诨鹦堑沫h(huán)形山邊緣,之后在飛船的桅桿上安裝一臺(tái)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于在風(fēng)吹過(guò)環(huán)形山時(shí),風(fēng)速會(huì)在邊緣位置大幅提高,同時(shí)會(huì)形成高速脫落的漩渦,將沙塵卷起,這使得空氣密度也略微增大,能在最大程度上彌補(bǔ)風(fēng)功率的不足。說(shuō)不定,以后的火星車(chē)在面臨電量不足的情況時(shí),也會(huì)采用相同的策略,??吭诃h(huán)形山外圍,通過(guò)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行充電。

左圖為風(fēng)繞過(guò)環(huán)形山形成的尾跡,右圖為安裝的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。(圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)5)

想要利用火星上的風(fēng)力資源給火星車(chē)供電,還需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況有針對(duì)性地設(shè)計(jì)適合安裝在火星車(chē)上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)?;鹦堑拇髿饷芏鹊停荒芡ㄟ^(guò)高風(fēng)速來(lái)補(bǔ)償發(fā)電量的虧損。由于風(fēng)剪切的作用,距離地面越高,平均風(fēng)速越大,高空的風(fēng)能密度是低空風(fēng)能的十倍至百倍。

受此啟發(fā),1999年,美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的馬修·里奇(Matthew D. Lich)和NASA格倫研究中心的博士生拉里·維特納(Larry Viterna)提出了一種火星風(fēng)能利用的概念機(jī),即使用氫氣球與錨系系統(tǒng)將風(fēng)力機(jī)懸浮在高空中,從根本上解決火星風(fēng)力發(fā)電性能不足的問(wèn)題。此后,麻省理工學(xué)院(MIT)的科學(xué)家聯(lián)合美國(guó)奧泰羅能源公司(Altaeros Energies)的工程師借鑒了這種形式,在地球上驗(yàn)證了這種高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可行性。

恐怖的火星沙塵暴

雖然通過(guò)上述措施可以在火星上實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的目的,但實(shí)際仍面臨諸多難題。其中,最具有挑戰(zhàn)性的就是火星上恐怖的沙塵暴。

火星是一顆不折不扣的沙漠星球,其地形地貌形成于遠(yuǎn)古地質(zhì)活動(dòng)較為活躍的時(shí)期,地表遍布沙丘和礫石,大量的沙塵懸浮在空氣中,每年都會(huì)出現(xiàn)狂暴的沙塵暴。但實(shí)際上,火星本身的風(fēng)力并不強(qiáng),但由于地表沒(méi)有草木等阻擋物,地面摩擦系數(shù)小,風(fēng)暴得不到有效遏制。

在持續(xù)多月沙塵暴的侵襲下,整個(gè)地表逐漸被厚厚的沙塵所覆蓋,只有當(dāng)其陽(yáng)光被遮擋后,地表溫差慢慢減小,風(fēng)暴才逐步減弱。我國(guó)西北地區(qū)的沙塵暴的風(fēng)速在28m/s左右,而火星沙塵暴的風(fēng)速可以高達(dá)180m/s,數(shù)天時(shí)間就可以席卷整個(gè)星球。地球上的沙塵暴和火星比起來(lái),顯然是“小巫見(jiàn)大巫”。

火星表面(圖片來(lái)源:Pixabay)
我國(guó)有三個(gè)火星基地(甘肅金昌、新疆哈密大海道和青海海西州茫崖),它們?cè)诘匦蔚孛埠妥匀伙L(fēng)光上和火星別無(wú)二致,均號(hào)稱(chēng)自己是“中國(guó)最像火星的地方”。圖為新疆哈密的“火星基地”。(圖片來(lái)源:作者提供)

通常意義上,只有在水平方向運(yùn)動(dòng)的氣流才稱(chēng)為風(fēng)。雖然火星的直徑約為地球的53%,但其表面凹凸不平,導(dǎo)致其表面積和地球相當(dāng)。表面的隕石坑、沙丘等復(fù)雜地形會(huì)擾亂氣流,一旦產(chǎn)生穩(wěn)定的橫向漩渦,卷起地表顆粒和沙塵,就會(huì)形成塵卷風(fēng),甚至在局部區(qū)域出現(xiàn)多股塵卷風(fēng)。

總體來(lái)說(shuō),“祝融號(hào)”等火星車(chē)在火星上進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電是完全可行的,但面臨的開(kāi)發(fā)利用條件非常惡劣?;鹦强諝饷芏鹊褪窍拗骑L(fēng)能利用效率的罪魁禍?zhǔn)?,除此之外,風(fēng)電機(jī)組還要面臨強(qiáng)風(fēng)暴以及塵卷風(fēng)的威脅。此外,其表面需要噴涂抗磨損涂層,外部連接處要進(jìn)行密封處理,以抵御沙塵的侵襲。高溫環(huán)境下的散熱問(wèn)題以及極端低溫造成的潤(rùn)滑問(wèn)題也不容小覷。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展,這些問(wèn)題或許都能得到解決,有關(guān)利用火星風(fēng)能的那些奇思妙想,也終能夢(mèng)想成真。