近年來(lái)，我國(guó)不斷加快火星探測(cè)的步伐，2028年前后將發(fā)射天問(wèn)三號(hào)探測(cè)器，2031年前后實(shí)現(xiàn)火星樣品返回地球。為順利開(kāi)展這些任務(wù)，我國(guó)科學(xué)家一直探索如何有效利用火星上的現(xiàn)有資源，為未來(lái)火星長(zhǎng)期科研和人類(lèi)駐留提供能源和資源保障。
火星發(fā)電將為建科研站提供能源保障
近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就利用火星大氣作為介質(zhì)，開(kāi)展了儲(chǔ)能和發(fā)電方面的研究，并取得新進(jìn)展。
科研人員介紹，在火星上發(fā)電并非易事，要考慮到使用一種易于獲取且用之不竭的介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。在地球上發(fā)電，例如火電站和核電站使用的工作介質(zhì)一般是水。而在宇宙空間開(kāi)展核能發(fā)電，此前科學(xué)界討論比較多的是采用稀有氣體氦-氙作為工作介質(zhì)，但是氦-氙并不是火星上原生的資源，會(huì)面臨從地球運(yùn)輸?shù)交鹦沁^(guò)程中出現(xiàn)泄漏后不能及時(shí)補(bǔ)充的問(wèn)題。那么如何用火星上原生的資源發(fā)電？中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究人員提出將火星大氣作為發(fā)電系統(tǒng)工作介質(zhì)的新思路。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員石凌峰：工作介質(zhì)它其實(shí)是發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的載體。我們也可以通俗地把它稱(chēng)為發(fā)電系統(tǒng)的“血液”?；鹦谴髿饩哂袃?yōu)良的熱電轉(zhuǎn)化性能?；鹦谴髿馑倪@種性質(zhì)，它的這個(gè)分子質(zhì)量是比較大的，比熱容也比較高，那么這種特性帶來(lái)了熱功轉(zhuǎn)換性能是較為優(yōu)異的。
經(jīng)過(guò)研究分析，科研人員發(fā)現(xiàn)相較于目前廣泛研究的氦-氙稀有氣體方案，以二氧化碳為主的火星大氣具有較大的分子質(zhì)量和單位體積做功能力，將其用于發(fā)電系統(tǒng)，效率最大可提升20%、功率密度最大可提升14%，而且可以實(shí)現(xiàn)工作介質(zhì)原地隨時(shí)獲取，這就為未來(lái)大規(guī)?；鹦翘綔y(cè)任務(wù)提供了一種“因地制宜”的能源生產(chǎn)解決方案。
石凌峰介紹，利用火星大氣就相當(dāng)于是利用了當(dāng)?shù)氐馁Y源，這個(gè)對(duì)未來(lái)可持續(xù)的火星科研站建設(shè)是一個(gè)很好的技術(shù)方案。
研發(fā)火星電池將為火星探測(cè)提供儲(chǔ)能方案
不僅在火星發(fā)電領(lǐng)域，研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)還開(kāi)展了利用火星大氣進(jìn)行儲(chǔ)能方面的研究，這有望為將來(lái)在火星上開(kāi)展的探測(cè)任務(wù)提供能源方面的保障。
與地球表面不同，火星大氣由二氧化碳、氮?dú)?、氬氣等氣體組成，其中二氧化碳含量高達(dá)95%以上，這成為火星資源利用的主要關(guān)注對(duì)象。為了將來(lái)人類(lèi)可以利用火星上的大氣進(jìn)行儲(chǔ)能，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了火星電池儲(chǔ)能系統(tǒng)概念。這種火星電池以火星大氣中的活性物質(zhì)作為反應(yīng)燃料，來(lái)實(shí)現(xiàn)電量釋放，為火星探測(cè)器和基地等提供持續(xù)能源供給。而在電能儲(chǔ)存時(shí)，則結(jié)合電能、光能、熱能等能量形式，將能量重新存儲(chǔ)到火星電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后肖旭：火星氣電池其實(shí)跟鋰空氣電池、鋰二氧化碳電池是一脈相承的，它是將空氣中或者是火星中的大氣成分吸入到電池里面，然后作為它的主要的活性氣體，然后釋放出電能，供火星車(chē)或者是火星直升機(jī)的使用。
研究人員在模擬火星大氣及晝夜溫差的條件下，對(duì)這種電池的性能開(kāi)展了測(cè)試。結(jié)果顯示，即使在0℃低溫環(huán)境下，電池依然能穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。使用火星大氣作為燃料，不僅大幅減輕了電池系統(tǒng)整體重量，還實(shí)現(xiàn)了能源的就地獲取與自給自足，為火星開(kāi)發(fā)與研究提供了全新的高能量密度儲(chǔ)能方案，對(duì)提升火星任務(wù)的自主性與可持續(xù)性具有重要意義。
火星氣體高效利用將推動(dòng)深空能源系統(tǒng)構(gòu)建
火星與地球擁有相似的自轉(zhuǎn)周期和四季變化。專(zhuān)家表示，火星氣體的高效開(kāi)發(fā)利用，正成為推動(dòng)下一代深空能源系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵突破口。
據(jù)介紹，未來(lái)，圍繞火星氣體的能源化和資源化利用，結(jié)合發(fā)電、儲(chǔ)能、供熱、制氧、制燃料等，可以進(jìn)一步拓展形成火星大氣利用的綜合能源系統(tǒng)。比如，火星表面的平均溫度只有約零下63℃，發(fā)電系統(tǒng)的低溫段余熱，能夠解決火星科研站的熱能供應(yīng)問(wèn)題，同時(shí)中溫段和高溫段火星氣體可以分別為甲烷化反應(yīng)制燃料和高溫電解制氧技術(shù)提供反應(yīng)氣，將富含的大量碳原子和氧原子的火星氣體，轉(zhuǎn)變?yōu)檠鯕夂图淄槿剂系忍綔y(cè)任務(wù)所需的寶貴資源。因此可以說(shuō)，火星氣體的高效開(kāi)發(fā)利用，正成為推動(dòng)下一代深空能源系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵突破口。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員石凌峰：要研究火星就需要有很多的探測(cè)設(shè)備，就要建立科研站。這些科研站、探測(cè)設(shè)備，就需要有能源作為一個(gè)基礎(chǔ)的保障，我們?cè)诨鹦巧先ソ⒛茉聪到y(tǒng)，我們想到的就是需要建立一些因地制宜的方案。我想這個(gè)研究像是一個(gè)新的起點(diǎn)跟出發(fā)點(diǎn)，這個(gè)還是有很長(zhǎng)的一段路要走的。
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