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

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，祝融號能用風電嗎？

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)航天器進入太空后主要的能量來源?？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”，通過將光能轉(zhuǎn)化為電能，保障內(nèi)部儀器設(shè)備的運轉(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行供電。

北京時間2月19日凌晨4時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劃中，核電池會發(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核動力火星探測器，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，預計在美國未來的深空任務(wù)中，同位素電源的使用會愈加頻繁。但目前核電池的制造成本過于高昂，還會產(chǎn)生放射性廢物，技術(shù)上還有極大的提升空間。因此，在未來很長一段時間內(nèi)，太陽能電池仍舊是多數(shù)航天器的標準配置。

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，宇宙射線過強會導致太陽電池失效，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利用呢？

火星豐富的風資源

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%）、少量的氮氣、氬氣、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，太陽風（來自太陽的高速粒子流）會在火星外層產(chǎn)生一個強電場，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產(chǎn)生風。

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的“聲音”，預計風速在每秒4.5-6.7米，人類的耳朵首次聽到了地球之外的風聲。此后的一段時間內(nèi)，洞察號檢測到的最強風力達到了28 m/s。

為什么火星上會刮風呢？本質(zhì)上，風能是太陽能的一種間接表現(xiàn)形式，地面各個區(qū)域接收到太陽輻射強度存在差異，導致氣體在溫差和壓強作用下產(chǎn)生流動，從而形成了風。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致了強風的產(chǎn)生。

可以在火星車上安裝風力發(fā)電機嗎？

火星上蘊含著豐富的風能資源，風力強勁，可以實現(xiàn)風力發(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%，這意味著平均風速要接近于地球上的4.5倍才能產(chǎn)生相當?shù)陌l(fā)電量。

直觀來說，火星上的風力發(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力發(fā)電機，采用微風發(fā)電模式，將風能作為一種可靠的互補能源，可以讓其在黑夜期或遭遇沙塵暴時，保證能源的供應(yīng)。

地球和火星上的風力機發(fā)電功率對比（紅色：地球，黑色：火星）（圖片來源：參考文獻4）

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

奧胡斯大學的風洞Simulator II（左圖），小型實驗風力機（右圖）（圖片來源：參考文獻2）

其實，早在上世紀80年代，馬里蘭大學（University of Maryland）的科學家亨利·哈斯拉赫（Henry W Haslach）就論證了人類移民火星時利用風能的可能性。為提高火星上風能的輸出功率，他提出了一個大膽而有趣的想法——將貨運飛船?？吭诨鹦堑沫h(huán)形山邊緣，之后在飛船的桅桿上安裝一臺垂直軸風力發(fā)電機。由于在風吹過環(huán)形山時，風速會在邊緣位置大幅提高，同時會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風功率的不足。說不定，以后的火星車在面臨電量不足的情況時，也會采用相同的策略，停靠在環(huán)形山外圍，通過風力發(fā)電進行充電。

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

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

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

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

恐怖的火星沙塵暴

雖然通過上述措施可以在火星上實現(xiàn)風力發(fā)電的目的，但實際仍面臨諸多難題。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古地質(zhì)活動較為活躍的時期，地表遍布沙丘和礫石，大量的沙塵懸浮在空氣中，每年都會出現(xiàn)狂暴的沙塵暴。但實際上，火星本身的風力并不強，但由于地表沒有草木等阻擋物，地面摩擦系數(shù)小，風暴得不到有效遏制。（有關(guān)火星上的風與沙塵暴，可點擊此處學習有用的知識）

在持續(xù)多月沙塵暴的侵襲下，整個地表逐漸被厚厚的沙塵所覆蓋，只有當其遮擋住陽光后，地表溫差慢慢減小，風暴才逐步減弱。我國西北地區(qū)的沙塵暴的風速在28 m/s左右，而火星沙塵暴的風速可以高達180 m/s，數(shù)天時間就可以席卷整個星球。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，只有在水平方向運動的氣流才稱為風。雖然火星的直徑約為地球的53%，但其表面凹凸不平，導致其表面積和地球相當。表面的隕石坑、沙丘等復雜地形會擾亂氣流，一旦滋生出穩(wěn)定的橫向旋渦，卷起地表顆粒和沙塵，就會形成塵卷風，甚至在局部區(qū)域出現(xiàn)多股塵卷風。

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行風力發(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能利用效率的罪魁禍首，除此之外，風電機組還要面臨強風暴以及塵卷風的威脅。此外，其表面需要噴涂抗磨損涂層，外部連接處要進行密封處理，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)利用火星風能的那些奇思妙想，也終能夢想成真。

參考文獻：

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

[2] http://www.leonarddavid.com/blowing-in-the-wind-power-production-on-mars/#:~:text=Experimental%20demonstration%20of%20a%20small%2C%20light-weight%20wind%20turbine,University%20in%20Denmark%20in%20the%20fall%20of%202010.

[3]https://www.researchgate.net/publication/252363322_Wind_Energy_a_Resource_for_a_Human_Mission_to_Mars.

[4] Delgado-Bonal, Alfonso & Martín-Torres, F. J. & Vázquez-Martín, Sandra & Zorzano, María-Paz. (2016). Solar and wind exergy potentials for Mars. Energy. 102. 550-558. 10.1016/j.energy.2016.02.110.

[5] H .W. Haslach, Wind energy feasibility for a human mission to Mars: preliminary study", Proceedings of Fifth ASME Wind Energy Symposium, New Orleans, La., Feb.23-26, 1986

[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：科學大院。科學大院是中科院官方科普微平臺，由中科院科學傳播局主辦、中國科普博覽團隊運營，致力于最新科研成果的深度解讀、社會熱點事件的科學發(fā)聲。


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