美國毅力號將攜帶核電池前往火星,中國天問一號為什麼不用?

2020-12-19 科技圖說

中國的火星車為什麼不像「毅力號」一樣,採用核電池?主要有兩方面的原因:

初探火星,暫無必要

旅行者號

核電池主要的應用場景是深空探測,比如美國70年代發射的旅行者號。

在遠離太陽的深空環境中,探測器能獲得的太陽光照強度十分有限,依靠太陽能板發電不太可能。

核電源就成為必然的選擇。

核電池不受極冷極熱的溫度影響,不被宇宙射線幹擾,在環境惡劣的太空中,是目前最理想的能量源。

迄今為止出現的各種深空探測器中,使用比較廣泛的就是鈽-238同位素溫差電池。

這種電池的基本原理,是利用鈽-238這種核燃料發生衰變時釋放的熱能

通常會在鈽-238外層裹上熱電偶。

熱電偶的特性就是只要內外兩面存在溫度差,就會產生電能

美國毅力號攜帶的同位素溫差電池

同位素溫差電池工作時,核心的鈽-238不停地發生衰變,鈽金屬會呈現出類似蜂窩煤一樣的熾熱紅色,表面溫度可達到近600度。

此時,包裹的熱電偶內側是具有高溫的鈽-238金屬塊,內外溫差實現了熱電轉換。

當然,這裡只是簡單介紹原理,實際實現技術非常複雜。

鈽-238產地主要在俄羅斯,價格不菲,導致同位素電池的性價比,不如太陽能電池高。

因此,在近地軌道的太空飛行器中,主要還是使用太陽能電板為主。

有心的網友可能了解,中國玉兔二號月球車上,也安裝了同位素電池。

這其中有一個特殊情況。

因為月球自傳一周達到了28天,相當於一半的時間,即14天左右,玉兔二號將處於黑暗中,此時月表溫度最低可達零下180度。

在這麼長時間的低溫環境下,如果不採用核能,玉兔的車載儀器將會被凍壞。

玉兔二號必須使用同位素電池與太陽能電池相切換的模式。即月晝時,使用太陽能電板供電,月夜時玉兔進入休眠。

同位素溫差電池開始工作,為玉兔提供保溫功能,以及維持與地球的基本通訊。

那麼此次天問一號訪問火星,為什麼沒有採用同位素電池?

因為火星的晝夜時長與地球差別不太大,而且晚上低溫會比月球上好一些。

短時間的低溫對探測器影響不會太大。

而且,此次天問一號是中國首次探測火星,預期的工作時間不長,沒有必要使用性價比更低的同位素電池。

技術原因

到目前為止,中國也只是研製出小功率的鈽-238同位素電池。

雖然是一種突破,但大功率同位素電池相關技術還有待提高,尤其是核燃料的能量轉化率。

前面提到了,鈽-238的價格不菲,如果核燃料利用率提升不上去。

無論是發射的載荷還是成本,都會大幅度提高,影響整個發射。

總之,本次天問一號火星任務,使用太陽能板可以滿足需要。相信在將來進一步的火星探測任務中,會看到同位素電池的身影。

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