火星大氣當燃料，外星球供能有妙招_風聞

來源：中國航天報

近日，國內團隊開發出利用火星大氣為燃料的特殊電池。相比傳統供能方式，這種“火星電池”具備哪些優勢？有望對火星任務提供哪些幫助？為了支持探索外星球，科研人員還可能採用哪些新穎又可行的能源供應方案呢？

就地取材 供能強勁

前仆後繼的火星探測器幫助人類瞭解到，火星大氣環境與地球完全不同，二氧化碳以超過95%的比例佔據了絕對主導地位。雖然二氧化碳在地球上被視為加劇全球變暖的温室氣體，但火星大氣過於稀薄，保温效果不佳，晝夜温差至少有60攝氏度，引發了遍佈全球的遮天蔽日的沙塵暴。

火星的極端環境令傳統鋰電池難以滿足探測器的需求，加上火星與地球相距遙遠，任務無法依賴地球補給，促使科研人員利用火星大氣的特色，推出新概念供能裝置。比如，鋰-二氧化碳電池可以最大程度地利用火星大氣中的二氧化碳，就地取材，在“吐納之間”提供能量。

新概念電池有望幫助火星任務收穫更多成果

相比傳統鋰電池，鋰-二氧化碳電池具備哪些優勢呢？通常，能量密度這個概念被用於評價電池的儲電能力，主要是指電池在一定的空間或質量中的儲能大小。從理論上講，鋰-二氧化碳電池的能量密度有望達到傳統鋰電池的7倍以上，其“秘訣”就是在放電時以二氧化碳為燃料，將二氧化碳中的部分能量轉變為電能。

當然，“火星電池”畢竟屬於新生事物，受限於大氣接觸面積、工作環境温度和氣壓等因素，初期產品的能量密度尚未達到“傳統鋰電池的7倍”這一理論值。據公開資料顯示，與傳統鋰電池相比，國內科研團隊製備的“火星電池”的能量密度提高了30%以上，可以在極端環境下穩定運行。

這種電池是怎樣實現這一點的？簡單地説，鋰-二氧化碳電池在放電過程中，鋰離子在陽極被氧化，二氧化碳在陰極被還原，反應產生碳酸鋰，並以電的形式釋放能量。在其充電過程中，反應被逆轉，鋰離子在陰極被還原，二氧化碳在陽極被氧化。此外，在鋰-二氧化碳電池充放電的過程中，伴隨碳酸鋰生成和分解，火星大氣中的微量氧氣和一氧化碳也不容忽視。它們可以“扮演”激發劑和催化劑，大幅提升二氧化碳的反應效率。

隨着科研人員更充分地掌握了火星表面大氣環境温度波動的規律，藉助模擬火星表面温度晝夜波動環境，科研人員在0攝氏度低温下，測得“火星電池”的能量密度為373.9瓦時/公斤，循環壽命1375小時，大約相當於2個火星月。

在地球上，鋰-二氧化碳電池既能釋放更多電能，又能夠對温室效應的“罪魁禍首”之一——二氧化碳進行“廢物利用”，可謂一舉兩得。而在火星上，鋰-二氧化碳電池以大氣中的二氧化碳為“抓取”目標，有望在供給更多能量的前提下進一步實現設計輕量化，為“寸土寸金”的探測器節約內部容積和載荷量、優化佈置更多設備創造條件。

科研人員通過一體化電極製備和摺疊式電池結構設計，有效地增加了火星大氣的有效反應面積。比如，通過將電芯尺寸放大至4平方釐米，軟包“火星電池”的能量密度進一步提升至765瓦時/公斤和630瓦時/升。

探索火星 事半功倍

“火星電池”直接利用火星大氣作為燃料，為火星探測器提供了一種新穎的能源解決方案。其高能量密度可以支持火星探測器運行時間更長，執行更復雜的長期探測任務。特別是對於登陸火星表面的着陸器和漫遊器來説，必然會遭遇暗夜、風沙等情況下太陽能供給不足的挑戰，太陽能電池也會在火星沙塵覆蓋、温度劇烈變化時出現故障率上升等險情。這時候，“火星電池”就要“勇挑重擔”，努力幫助探測器熬過“艱難歲月”。

也就是説，未來火星探測器很可能採用“多能互補”的能源系統。比如，白天利用太陽能發電，夜晚或沙塵導致太陽能不足時，探測器使用“火星電池”，實現能源循環利用，從而顯著提升自身續航能力、工作時間和探測範圍。

火星沙塵暴嚴重妨礙太陽能電池工作

未來，火星探測器的能源系統內部協調效能也有望提升。比如，作為長壽命的可重複利用電池，當“火星電池”的電量下降時，可以利用火星表面的太陽能等對其進行二次充電，助力改善充放電循環性能。這也有望為未來空間探索的能源互補式利用提供啓發性探索。

那麼，“火星電池”自身能夠通過極端環境的種種考驗嗎？

除了各種新型抗輻射保温材料為其提供“金鐘罩”外，長循環性能在很大程度上保證了這種電池的可靠性和穩定性。經過大量次數的充放電循環後，“火星電池”的電量、電壓、工作温度等指標不至於嚴重惡化。

更重要的是，隨着航天科研人員提出大規模探測火星、開發火星的美好願景，火星原位資源利用相關研究日益受到重視。如果火星任務所需的大量物資包括能源仍需要從地球發射、補給，那麼工程技術難度、綜合成本乃至任務的可持續性都將面臨嚴峻考驗。雖然“火星電池”暫未達到理論上的完美設計指標，但在一定程度上可以幫助探測器嘗試減少對傳統能源補給方式的依賴，更可靠地持續開展任務，收穫更多成果。

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供能革新 服務深空

“火星電池”的研發、完善工作遠未止步，除了採取種種措施提高對極端環境的適應性，持續提升電池的能量密度和循環次數外，科研人員還希望早日開發出固態火星電池。

相比傳統液態電池，固態電池具備安全性更高、穩定性更好、工作壽命更長等優勢，不僅將進一步提升性能和可靠性，還有望解決低壓下的電解質揮發難題，更適合在特殊的太空環境、外星球表面環境使用。

應用空間核動力技術還需要克服一些困難

此外，科研人員還在努力改進“火星電池”的輔助熱管理系統、氣壓管理系統等，以便更好地應對火星表面劇烈温度波動和複雜氣壓環境，使電池實際指標不斷接近理論值，力爭在不同的環境條件下均保持良好性能。

“火星電池”想要實現進一步性能提升和廣泛應用，需要不斷引入新理念和新技術，克服一些技術挑戰，包括且不限於大規模生產的工藝革新、在火星表面環境中的長期穩定性測試等。

值得注意的是，雖然“火星電池”研發工作主要針對火星環境特徵，但“利用外星球大氣成分作為燃料”的理念和相關技術途徑是近似的。未來，針對具有大氣層的其他外星球，比如金星、土衞六等，科研人員可以“因地制宜”研發探測器的新概念電池，拓展對外星球探測的能源解決方案。

“火星電池”工作依賴外星球大氣環境，難免應用受限。國外一些航天創企提出了利用月球、火星等外星球資源原位製造太陽能電池的技術方案，或者發展太陽帆、磁場帆、太陽熱動力系統等，規避複雜的供能挑戰。

另外，很多科研人員長期以來希望採用適應性更強、供能更持久的空間核動力技術，滿足外星球探索等深空探測需求。不過，空間核動力技術仍然存在一些影響大規模應用的技術難關。比如，核輻射的潛在危害限制了其應用範圍，困擾着航天器控制體積和減重工作，對發射含核物質航天器的火箭資質也有規定。再比如，安裝在外星球着陸器、巡視器上的新一代核裝置有必要兼顧供電和保温功能，這就對熱管技術和集成設計能力等提出了苛刻要求。

當前，人類的深空征程處於“起步”階段，航天器供能方式革新路徑五花八門，各有所長。相信，隨着科研人員大膽創新、勇於探索，航天器必將獲得高效、安全、適宜具體任務的供能方式，造訪遙遠的外星球。