听说火星上风很大,那祝融号可以用风力发电吗?

2021-05-25 14:11:来源:中科院物理所 原文链接:点击获取

2021年5月22日,祝融号火星车安全驶离着陆平台,到达火星表面,开始巡视探测。在火面工作期间,火星车将按计划开展巡视区环境感知、火面移动和科学探测。

人要干活,就得好好吃饭。同样,要让火星车完成各种任务,就需要供给稳定的能量。那么,在探测火星期间,祝融号的能量来源是什么?火星上也刮风,祝融号能用风电吗?

着陆火星后的祝融号艺术效果图

(图片来源:国家航天局)

航天器的能量来源

太阳能是绝大多数航天器进入太空后主要的能量来源。空间站和人造卫星等航天器一般都有一双光伏电池“翅膀”,通过将光能转化为电能,保障内部仪器设备的运转。由于太空不存在阴天、光线散射等情况,因此发电效率要比地球高得多,基本可以满足其内部的能源需求

前苏联建造的联盟号飞船(图片来源:Pixabay)

当然,太阳能也是绝大多数的火星车、月球车等空间探测器的能量来源,但并不是唯一的选择。为了保证可靠的性能,提供较大的功率,NASA好奇号火星车就利用核电池进行供电。

北京时间2月19日凌晨4时55分,“毅力号”(Perseverance)火星车不经变轨直接突入火星大气层,率先登陆火星地表,开启本轮火星探测的新阶段。不可否认的是,核电池能量密度极高,是星际旅行的最佳能源方案。在未来的深空探测计划中,核电池会发挥越来越大的作用。这辆尺寸和小型汽车相近的火星车是人类历史上第二个核动力火星探测器,所需能源全部由多任务同位素温差电源提供

经过多年发展,美国同位素核电源技术已经相对成熟,预计在美国未来的深空任务中,同位素电源的使用会愈加频繁。但目前核电池的制造成本过于高昂,还会产生放射性废物,技术上还有极大的提升空间。因此,在未来很长一段时间内,太阳能电池仍旧是多数航天器的标准配置

左:机遇号火星探测车(图片来源:Pixabay)

右:核电池示意图(图片来源:NASA)

在深空中,航天器能依靠的只有太阳能与核能,但一旦登陆火星,对太阳能的利用就大打折扣了。由于火星的阳光密度低,并且存在长达半年的黑夜期。在这期间,太阳能电池完全无法发挥作用。而蓄电池储存能力有限,火星车只能休眠等待下一次的光照。此外,宇宙射线过强会导致太阳电池失效,阳光太弱则难以保证电力的稳定输出。有没有其他的能量来源供火星车利用呢?

火星丰富的风资源

不同于处于真空环境中的月球,火星具有大气层,主要是由二氧化碳(95.3%)、少量的氮气、氩气、氧气和水汽组成的。观测结果显示,由于缺少地磁场的保护,太阳风(来自太阳的高速粒子流)会在火星外层产生一个强电场,加速大气中带电离子逃逸至太空中,使得火星的大气层异常稀薄,而大气的存在意味着火星上会产生风。

2018年12月,NASA通过“洞察号”(InSight)火星车内部的探测仪器,意外地采集到了火星上风的“声音”,预计风速在每秒4.5-6.7米,人类的耳朵首次听到了地球之外的风声。此后的一段时间内,洞察号检测到的最强风力达到了28 m/s。

为什么火星上会刮风呢?本质上,风能是太阳能的一种间接表现形式,地面各个区域接收到太阳辐射强度存在差异,导致气体在温差和压强作用下产生流动,从而形成了风。由于大气和海洋的保温控温作用,地球的昼夜温差不大。与之相比,稀薄的大气使得火星的保温效果很差——受太阳烘烤的一面,温度在35℃左右,而背阴面可降到-70℃,冷热气体之间形成巨大的压力差导致了强风的产生。

可以在火星车上安装风力发电机吗?

火星上蕴含着丰富的风能资源,风力强劲,可以实现风力发电,但发电效率极低。其原因是火星的大气密度大约只有地球的1%,这意味着平均风速要接近于地球上的4.5倍才能产生相当的发电量。

直观来说,火星上的风力发电似乎毫无优势。不过,对依赖于光伏电池的火星车而言,风能虽然不能为火星车提供充足的电力,但在上面安装小型风力发电机,采用微风发电模式,将风能作为一种可靠的互补能源,可以让其在黑夜期或遭遇沙尘暴时,保证能源的供应

地球和火星上的风力机发电功率对比(红色:地球,黑色:火星)(图片来源:参考文献4)

2010年秋天,丹麦奥胡斯大学(Aarhus University)的科研人员在风洞“模拟器二号”(Simulator II)中模拟火星大气条件下工作的小型风力发电机,研究结果肯定了在火星上使用风能的可能性。

奥胡斯大学的风洞Simulator II(左图),小型实验风力机(右图)(图片来源:参考文献2)

其实,早在上世纪80年代,马里兰大学(University of Maryland)的科学家亨利·哈斯拉赫(Henry W Haslach)就论证了人类移民火星时利用风能的可能性。为提高火星上风能的输出功率,他提出了一个大胆而有趣的想法——将货运飞船停靠在火星的环形山边缘,之后在飞船的桅杆上安装一台垂直轴风力发电机。由于在风吹过环形山时,风速会在边缘位置大幅提高,同时会形成高速脱落的漩涡,将沙尘卷起,这使得空气密度也略微增大,能在最大程度上弥补风功率的不足。说不定,以后的火星车在面临电量不足的情况时,也会采用相同的策略,停靠在环形山外围,通过风力发电进行充电。

风绕过环形山形成的尾迹(左图)安装的垂直轴风力发电机(右图)(图片来源:参考文献5)

想要利用火星上的风力资源给火星车供电,还需要根据当地的风况有针对性地设计适合安装在火星车上的风力发电机。火星的大气密度低,只能通过高风速来补偿发电量的亏损。由于风剪切的作用,距离地面越高,平均风速越大,高空的风能密度是低空风能的十倍至百倍

受此启发,1999年,美国宾夕法尼亚大学的马修·里奇(Matthew D. Lich)和NASA格伦研究中心的博士生拉里·维特纳(Larry Viterna)提出了一种火星风能利用的概念机,即使用氢气球与系锚系统将风力机悬浮在高空中,从根本上解决火星风力发电性能不足的问题。此后,麻省理工学院(MIT)的科学家联合美国奥泰罗能源公司(Altaeros Energies)的工程师借鉴了这种形式,在地球上验证了这种高空风力发电机的可行性

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从左到右依次为:国外公司推出的空中漂浮式风力机(图片来源:kankyo-business)电影中的漂浮式风力机(图片来源:电影《超能陆战队》)

恐怖的火星沙尘暴

虽然通过上述措施可以在火星上实现风力发电的目的,但实际仍面临诸多难题。其中,最具有挑战性的就是火星上恐怖的沙尘暴。

火星是一颗不折不扣的沙漠星球,其地形地貌形成于远古地质活动较为活跃的时期,地表遍布沙丘和砾石,大量的沙尘悬浮在空气中,每年都会出现狂暴的沙尘暴。实际上,火星本身的风力并不强,但由于地表没有草木等阻挡物,地面摩擦系数小,风暴得不到有效遏制。(有关火星上的风与沙尘暴,可点击此处学习有用的知识)

在持续多月沙尘暴的侵袭下,整个地表逐渐被厚厚的沙尘所覆盖,只有当其遮挡住阳光后,地表温差慢慢减小,风暴才逐步减弱。我国西北地区的沙尘暴的风速在28 m/s左右,而火星沙尘暴的风速可以高达180 m/s,数天时间就可以席卷整个星球。地球上的沙尘暴和火星比起来,显然是“小巫见大巫”

火星表面(图片来源:Pixabay)

我国有三个火星基地(甘肃金昌、新疆哈密大海道和青海海西州茫崖),它们在地形地貌和自然风光上和火星别无二致,均号称自己是“中国最像火星的地方”。图为新疆哈密的“火星基地”(图片来源:作者提供)

通常意义上,只有在水平方向运动的气流才称为风。虽然火星的直径约为地球的53%,但其表面凹凸不平,导致其表面积和地球相当。表面的陨石坑、沙丘等复杂地形会扰乱气流,一旦滋生出稳定的横向旋涡,卷起地表颗粒和沙尘,就会形成尘卷风,甚至在局部区域出现多股尘卷风

火星上连绵不绝的沙丘(图片来源:inverse.com)

总体来说,祝融号等火星车在火星上进行风力发电是完全可行的,但面临的开发利用条件非常恶劣。火星空气密度低是限制风能利用效率的罪魁祸首,除此之外,风电机组还要面临强风暴以及尘卷风的威胁。此外,其表面需要喷涂抗磨损涂层,外部连接处要进行密封处理,以抵御沙尘的侵袭。高温环境下的散热问题以及极端低温造成的润滑问题也不容小觑。随着科技的进一步发展,这些问题或者都能得到解决,有关利用火星风能的那些奇思妙想,也终能梦想成真。

参考文献:

[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.

来源:科学大院

编辑:谦

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作者:佚名