國產火星車安裝四塊太陽能電池板，背後是核能與太陽能的抉擇

踏上火星土壤的火星車，電池的設計和使用尤為重要，修不了換不了，因此除了要為火星車安裝必要的科學儀器外，一套穩定可靠的能源供應系統根本少不了。為了完成為期90天的巡視探索任務，我國首輛火星車裝有四塊太陽能電池板，為火星車提供充足的能量供應和儲備。

漫漫長徵路，巍巍中國魂

隨著長徵五號從文昌衛星發射中心發射升空入軌，「天問一號」正式開始5億公裡漫漫長徵路，向火星進發，是我國繼「嫦娥系列」月球探測任務後的又一大航天探測工程。

「天問一號」探測器由軌道器、著陸器、巡視器三個部分組成，攜帶十三種有效載荷，其中環繞器七種、火星車六種，總重達5噸，將對火星地形地貌、土壤水分、大氣環境等進行探測研究，並一次性完成「繞、落、巡」三大任務。

火星探測困難重重，失敗率極高，從上世紀60年代開啟人類火星探測至今的六十年的時間裡，除去前幾日成功發射升空的阿聯火星探測器「希望」號和我國的「天問一號」，世界各國一共進行了46次火星探測器發射任務，其中只有20.5次取得成功，成功率不足45%，最慘的俄羅斯（加上前蘇聯）更是21次發射只成功了一次，而且搭載的還不是自家探測器。

事實上，這也不是我國第一次火星探測器發射任務。

早在2011年，我國的「螢火一號」火星探測器就搭載俄羅斯「福布斯-土壤」探測器，由俄羅斯「天頂-2SB運載火箭」在哈薩克斯坦拜科努爾發射場發射升空，但探測器在進行第二次變軌前定向系統發生故障，未能正常脫離低地軌道，後來俄羅斯方面的調查結果認為是電子設備上的兩塊晶片遭遇輻射損壞後，導致艦載電腦程式崩潰造成失敗。

此次意外攪亂了我國的火星探測計劃，不得不放棄多步走計劃，並選擇自力更生，使用我國的長徵系列系列運載火箭進行深空探測器發射任務。終於在780天一遇的2020年火星發射窗口期，我國新一代重型運載火箭「長徵五號」和中國的新型火星探測器「天問一號」相遇，攜手飛向遙遠的火星。

解決了近地運載能力，要做的便是抓準時機，進入霍曼轉移軌道，接近火星進入火星引力影響球，歷經「恐怖七分鐘」後登陸火星，整個過程危險重重。

曲線去火

既然是登陸火星，那麼就少不了火星車，就在昨天，我國第一輛火星車和1:1著陸平臺正式與大眾見面。

作為承擔火星巡視探測重任的火星車，除了要攜帶多種精密探測儀器外，最重要的就是能源供應，它關係到火星車的「生死存亡」。

四個「大翅膀」，載著中國夢

在中國首輛火星車四周，裝有四塊太陽能電池板，它們將負責此次火星表面巡測任務的能源供應。而幾天後將要發射的隸屬於美國國家航空航天局的毅力號，將使用一個原本作為好奇號備用能源的放射性同位素熱電機為火星車提供能源。

火星車使用的太陽能板與生活中見到的太陽能板別無兩樣，如果非要找不同，無非就是用料更講究、堅固耐用，進行防塵塗層處理，防止太陽能板被沙塵覆蓋，降低光線透過率，導致電池輸出功率下降，同時影響電池的熱性能，導致電池溫度升高，性能降低。

但總的來說，發電原理基本相同，都是吸收太陽光，部分光子被光伏材料吸收，晶體內部發生定向電子躍遷，形成電位差在外電路中產生電流，達到發電的目的。

太陽能板發電原理

與其它類型的能源相比，太陽能具有永久性、清潔性和靈活性三大優點，只要有足夠的太陽光就有充足的能量，但在距離太陽億萬公裡外的火星，太陽光強度小且火星大氣對太陽光有削減作用。

根據已有的信息，在不考慮沙塵暴的影響下，火星表面不同緯度的太陽能密度如下圖：

此次我國火星車著陸區域為20°W—50°W，20°N—30°N，每個火星公轉周期每平方米吸收能量對應圖中3.0-3.5，以中間值3.25為例。外太空的太陽電池板採用的是已批量生產的美國光譜實驗室研發的三結太陽電池 (UJT) , 該電池的最高功率點平均效率為28%, 經計算：若火星車的功率為100瓦，則需要太陽能板的面積約為0.38㎡。

而為了滿足火星車夜間用電需求，還需加裝蓄電池，這些裝置在無形之中增加了火星車的負重。如果用核電池會不會有所改觀？

早在1959年，世界上第一個放射性同位素電池就由美國人研製出來，輕質穩定、工作壽命長、環境耐受性好等特點立即吸引了航天工作者的目光，並在後來的太空探索中廣泛應用，從阿波羅11號登月飛船到旅行者一號，再到「好奇號」火星車，核電池在美國人的太空探索事業中逐步有了舉足輕重的位置。

一個小圓柱，滿是高科技

尾部的RTG就是核電池

雖然都是利用核能，但同位素溫差電池與核電站的發電原理卻大相逕庭。核電站利用核燃料裂變釋放的能量加熱工作介質——水，生成水蒸氣推動汽輪機轉子轉動，進而帶動發電機轉子轉動，完成核能-熱能-機械能-電能的能量轉變。

與之相比，核電池則基於核衰變反應製成。按照工作原理，核電池可分為兩種：熱轉換型核電池和非熱轉換型核電池。熱轉換型吸收α射線，藉助熱電效應或光電效應，在熱電元件中發生熱電轉換；非熱轉換型則吸收β射線，即電子，直接發電。

溫差電池結構

應用最廣泛的放射性同位素溫差電池，屬於熱轉換型核電池，利用熱電偶陣列（應用了西貝克效應）接收放射性同位素在衰變時放出的熱量將其轉化成電能。

放射性同位素溫差電池和普通電池形狀相似，常被做成圓柱形，熱源放射性同位素放在中心，四周裹著熱電材料，如碲化鉍、碲化鉛、鍺矽合金等，兩種不同電導體或半導體因溫度差異發生載流子移動現象，在半導體的兩端就出現了由於溫度梯度所引起的電動勢——溫差電動勢，不同熱電材料溫差電動勢取向不同，這取決於Seebeck係數，係數大於零，由高溫端指向低溫段，小於零，則相反。

熱電效應原理圖

使用Seebeck係數一正一負的兩種材料即可在外電路中產生電流，且電流穩定，不受外界環境影響。

眾多優點下，仍然難以掩蓋核電池的缺點，如能量利用率低、製造成本高且有技術壁壘等。目前各國製造的核電池只有10%-20%，其餘的熱能要麼流失，要麼用來給裝置保溫加熱，以至於在嚴寒中仍能保證儀器正常運轉，比如阿波羅11號和「嫦娥三號」月球探測器中使用的同位素溫差電池產生的額外熱量就用來給儀器加熱。

嫦娥三號探測器

航天強國美國在使用同位素溫差電池進行太空探索方面具有先期優勢和豐富經驗，已在多顆探測器上安裝核電池，最大電力輸出功率從幾瓦特到幾百瓦特不等，而且質量只有幾十千克。

固然核電池具有眾多優勢，但是較低的電能轉換效率和較高的技術壁壘，已然成為其廣泛應用的「絆腳石」。

首先就是放射性同位素燃料稀缺。雖然地球上已發現近一千五百多种放射性同位素，但真正能用於同位素電池的卻寥寥無幾，只有鈽238、鍶90、鈷60、銫137等十多種，而真正使用的也只有鈽238、鍶90兩種，冥冥之中決定了核電池的命運。

其次是較高的技術壁壘和造價。鈽238是高度放射性物質，除了會對人與自然產生巨大危害，衰變釋放出的高能粒子會對晶體結構造成不可逆損傷，也就是溫差電池的核心——換能器。得益於納米材料和半導體材料的發展，此問題得到部分解決，我國也自主研發出屬於中國的核電池，並成功安裝在「嫦娥三號」月球探測器上，但相比於成熟的太陽能發電，仍然具有極高的不確定性，尤其是在距離遙遠、環境惡劣的火星。

技術問題得到部分解決，高昂的造價已然擺在面前。從同位素到材料，再到防護，每一部分都是燒錢的「玩意兒」，而且稍有差池，還會造成不可估量的損失。縱然是NASA，也不敢輕易的在火星車上使用溫差電池，迄今為止，也只有好奇號使用的是鈽238溫差電池，動輒數十億美元的工程造價，屬實承受不起。

萬事開頭難，穩紮穩打求突破

雖然我國在太空探索領域已有較為豐富的經驗，但對地外行星的探測仍屬首次，註定有許多困難需要克服。中國首輛火星車90天的設計使用壽命足以為中國敲開火星之門，初次造訪，積累經驗。

如若貿然使用核電池，無疑會加大技術難度，增加不確定性，現階段的中國航天事業，正是需要穩步前進之時，任何一次小失誤都將帶來無法挽回的損失。另外，此次火星探測器降落區域緯度低，太陽光照較為充足，90天的設計使用壽命下，太陽能已足以保證能量供應。

常規能源和核能，沒有孰優孰劣，在合適的時間選用合適的能源最為重要。無論科學技術的發展，還是太空探索的深入，都需要穩紮穩打，實事求是。雖然中美之間的差距依然存在，但在追趕路上的中國，最值得「偉大」！