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

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

著陸火星后的祝融號藝術(shù)效果圖（圖片來源：國家航天局）

航天器的能量來源

太陽能是絕大多數(shù)航天器進(jìn)入太空后主要的能量來源。空間站和人造衛(wèi)星等航天器一般都有一雙光伏電池“翅膀”，通過將光能轉(zhuǎn)化為電能，保障內(nèi)部儀器設(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。

前蘇聯(lián)建造的聯(lián)盟號飛船（圖片來源：Pixabay）

當(dāng)然，太陽能也是絕大多數(shù)的火星車、月球車等空間探測器的能量來源，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好奇號火星車就利用核電池進(jìn)行供電。

北京時(shí)間2月19日凌晨4時(shí)55分，“毅力號”（Perseverance）火星車不經(jīng)變軌直接突入火星大氣層，率先登陸火星地表，開啟本輪火星探測的新階段。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。在未來的深空探測計(jì)劃中，核電池會(huì)發(fā)揮越來越大的作用。這輛尺寸和小型汽車相近的火星車是人類歷史上第二個(gè)核動(dòng)力火星探測器，所需能源全部由多任務(wù)同位素溫差電源提供。

經(jīng)過多年發(fā)展，美國同位素核電源技術(shù)已經(jīng)相對成熟，預(yù)計(jì)在美國未來的深空任務(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，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，太陽能電池仍舊是多數(shù)航天器的標(biāo)準(zhǔn)配置。

好奇號火星探測車（圖片來源：Pixabay）與核電池示意圖（圖片來源：NASA）

在深空中，航天器能依靠的只有太陽能與核能，但一旦登陸火星，對太陽能的利用就大打折扣了。由于火星的陽光密度低，并且存在長達(dá)半年的黑夜期。在這期間，太陽能電池完全無法發(fā)揮作用。而蓄電池儲(chǔ)存能力有限，火星車只能休眠等待下一次的光照。此外，宇宙射線過強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致太陽電池失效，陽光太弱則難以保證電力的穩(wěn)定輸出。有沒有其他的能量來源供火星車?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)狻鍤?、氧氣和水汽組成的。觀測結(jié)果顯示，由于缺少地磁場的保護(hù)，太陽風(fēng)（來自太陽的高速粒子流）會(huì)在火星外層產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)電場，加速大氣中帶電離子逃逸至太空中，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“洞察號”(InSight)火星車內(nèi)部的探測儀器，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，人類的耳朵首次聽到了地球之外的風(fēng)聲。此后的一段時(shí)間內(nèi)，洞察號檢測到的最強(qiáng)風(fēng)力達(dá)到了28 m/s。

為什么火星上會(huì)刮風(fēng)呢？本質(zhì)上，風(fēng)能是太陽能的一種間接表現(xiàn)形式，地面各個(gè)區(qū)域接收到太陽輻射強(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。

直觀來說，火星上的風(fēng)力發(fā)電似乎毫無優(yōu)勢。不過，對依賴于光伏電池的火星車而言，風(fēng)能雖然不能為火星車提供充足的電力，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)電功率對比（紅色：地球，黑色：火星）（圖片來源：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”（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。

奧胡斯大學(xué)的風(fēng)洞Simulator II（左圖），小型實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)（右圖）（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

其實(shí)，早在上世紀(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。說不定，以后的火星車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，通過風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行充電。

風(fēng)繞過環(huán)形山形成的尾跡（左圖）安裝的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（右圖）（圖片來源：參考文獻(xiàn)5）

想要利用火星上的風(fēng)力資源給火星車供電，還需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況有針對性地設(shè)計(jì)適合安裝在火星車上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)?；鹦堑拇髿饷芏鹊?，只能通過高風(fēng)速來補(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)，即使用氫氣球與系錨系統(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)電性能不足的問題。此后，麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家聯(lián)合美國奧泰羅能源公司(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。

圖片依次為：國外公司推出的空中漂浮式風(fēng)力機(jī)（圖片來源：kankyo-business）電影中的漂浮式風(fēng)力機(jī)（圖片來源：電影《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》）

恐怖的火星沙塵暴

雖然通過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。（有關(guān)火星上的風(fēng)與沙塵暴，可點(diǎn)擊此處學(xué)習(xí)有用的知識）

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)其遮擋住陽光后，地表溫差慢慢減小，風(fēng)暴才逐步減弱。我國西北地區(qū)的沙塵暴的風(fēng)速在28 m/s左右，而火星沙塵暴的風(fēng)速可以高達(dá)180 m/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，顯然是“小巫見大巫”。

火星表面（圖片來源：Pixabay）

我國有三個(gè)火星基地（甘肅金昌、新疆哈密大海道和青海海西州茫崖），它們在地形地貌和自然風(fēng)光上和火星別無二致，均號稱自己是“中國最像火星的地方”。圖為新疆哈密的“火星基地”（圖片來源：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，一旦滋生出穩(wěn)定的橫向旋渦，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)。

火星上連綿不絕的沙丘（圖片來源：inverse.com）

總體來說，祝融號等火星車在火星上進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電是完全可行的，但面臨的開發(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)境下的散熱問題以及極端低溫造成的潤滑問題也不容小覷。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，這些問題或者都能得到解決，有關(guān)利用火星風(fēng)能的那些奇思妙想，也終能夢想成真。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://www.nasa.gov/

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[6] Matthew D. Lichter, Larry Viterna, Performance and feasibility analysis of a wind turbine power system for use on Mars. NASA/TM-1999-209390.

來源：科學(xué)大院。科學(xué)大院是中科院官方科普微平臺(tái)，由中科院科學(xué)傳播局主辦、中國科普博覽團(tuán)隊(duì)運(yùn)營，致力于最新科研成果的深度解讀、社會(huì)熱點(diǎn)事件的科學(xué)發(fā)聲。


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