火星大气当燃料，外星球供能有妙招_风闻

来源：中国航天报

近日，国内团队开发出利用火星大气为燃料的特殊电池。相比传统供能方式，这种“火星电池”具备哪些优势？有望对火星任务提供哪些帮助？为了支持探索外星球，科研人员还可能采用哪些新颖又可行的能源供应方案呢？

就地取材 供能强劲

前仆后继的火星探测器帮助人类了解到，火星大气环境与地球完全不同，二氧化碳以超过95%的比例占据了绝对主导地位。虽然二氧化碳在地球上被视为加剧全球变暖的温室气体，但火星大气过于稀薄，保温效果不佳，昼夜温差至少有60摄氏度，引发了遍布全球的遮天蔽日的沙尘暴。

火星的极端环境令传统锂电池难以满足探测器的需求，加上火星与地球相距遥远，任务无法依赖地球补给，促使科研人员利用火星大气的特色，推出新概念供能装置。比如，锂-二氧化碳电池可以最大程度地利用火星大气中的二氧化碳，就地取材，在“吐纳之间”提供能量。

新概念电池有望帮助火星任务收获更多成果

相比传统锂电池，锂-二氧化碳电池具备哪些优势呢？通常，能量密度这个概念被用于评价电池的储电能力，主要是指电池在一定的空间或质量中的储能大小。从理论上讲，锂-二氧化碳电池的能量密度有望达到传统锂电池的7倍以上，其“秘诀”就是在放电时以二氧化碳为燃料，将二氧化碳中的部分能量转变为电能。

当然，“火星电池”毕竟属于新生事物，受限于大气接触面积、工作环境温度和气压等因素，初期产品的能量密度尚未达到“传统锂电池的7倍”这一理论值。据公开资料显示，与传统锂电池相比，国内科研团队制备的“火星电池”的能量密度提高了30%以上，可以在极端环境下稳定运行。

这种电池是怎样实现这一点的？简单地说，锂-二氧化碳电池在放电过程中，锂离子在阳极被氧化，二氧化碳在阴极被还原，反应产生碳酸锂，并以电的形式释放能量。在其充电过程中，反应被逆转，锂离子在阴极被还原，二氧化碳在阳极被氧化。此外，在锂-二氧化碳电池充放电的过程中，伴随碳酸锂生成和分解，火星大气中的微量氧气和一氧化碳也不容忽视。它们可以“扮演”激发剂和催化剂，大幅提升二氧化碳的反应效率。

随着科研人员更充分地掌握了火星表面大气环境温度波动的规律，借助模拟火星表面温度昼夜波动环境，科研人员在0摄氏度低温下，测得“火星电池”的能量密度为373.9瓦时/公斤，循环寿命1375小时，大约相当于2个火星月。

在地球上，锂-二氧化碳电池既能释放更多电能，又能够对温室效应的“罪魁祸首”之一——二氧化碳进行“废物利用”，可谓一举两得。而在火星上，锂-二氧化碳电池以大气中的二氧化碳为“抓取”目标，有望在供给更多能量的前提下进一步实现设计轻量化，为“寸土寸金”的探测器节约内部容积和载荷量、优化布置更多设备创造条件。

科研人员通过一体化电极制备和折叠式电池结构设计，有效地增加了火星大气的有效反应面积。比如，通过将电芯尺寸放大至4平方厘米，软包“火星电池”的能量密度进一步提升至765瓦时/公斤和630瓦时/升。

探索火星 事半功倍

“火星电池”直接利用火星大气作为燃料，为火星探测器提供了一种新颖的能源解决方案。其高能量密度可以支持火星探测器运行时间更长，执行更复杂的长期探测任务。特别是对于登陆火星表面的着陆器和漫游器来说，必然会遭遇暗夜、风沙等情况下太阳能供给不足的挑战，太阳能电池也会在火星沙尘覆盖、温度剧烈变化时出现故障率上升等险情。这时候，“火星电池”就要“勇挑重担”，努力帮助探测器熬过“艰难岁月”。

也就是说，未来火星探测器很可能采用“多能互补”的能源系统。比如，白天利用太阳能发电，夜晚或沙尘导致太阳能不足时，探测器使用“火星电池”，实现能源循环利用，从而显著提升自身续航能力、工作时间和探测范围。

火星沙尘暴严重妨碍太阳能电池工作

未来，火星探测器的能源系统内部协调效能也有望提升。比如，作为长寿命的可重复利用电池，当“火星电池”的电量下降时，可以利用火星表面的太阳能等对其进行二次充电，助力改善充放电循环性能。这也有望为未来空间探索的能源互补式利用提供启发性探索。

那么，“火星电池”自身能够通过极端环境的种种考验吗？

除了各种新型抗辐射保温材料为其提供“金钟罩”外，长循环性能在很大程度上保证了这种电池的可靠性和稳定性。经过大量次数的充放电循环后，“火星电池”的电量、电压、工作温度等指标不至于严重恶化。

更重要的是，随着航天科研人员提出大规模探测火星、开发火星的美好愿景，火星原位资源利用相关研究日益受到重视。如果火星任务所需的大量物资包括能源仍需要从地球发射、补给，那么工程技术难度、综合成本乃至任务的可持续性都将面临严峻考验。虽然“火星电池”暂未达到理论上的完美设计指标，但在一定程度上可以帮助探测器尝试减少对传统能源补给方式的依赖，更可靠地持续开展任务，收获更多成果。

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供能革新 服务深空

“火星电池”的研发、完善工作远未止步，除了采取种种措施提高对极端环境的适应性，持续提升电池的能量密度和循环次数外，科研人员还希望早日开发出固态火星电池。

相比传统液态电池，固态电池具备安全性更高、稳定性更好、工作寿命更长等优势，不仅将进一步提升性能和可靠性，还有望解决低压下的电解质挥发难题，更适合在特殊的太空环境、外星球表面环境使用。

应用空间核动力技术还需要克服一些困难

此外，科研人员还在努力改进“火星电池”的辅助热管理系统、气压管理系统等，以便更好地应对火星表面剧烈温度波动和复杂气压环境，使电池实际指标不断接近理论值，力争在不同的环境条件下均保持良好性能。

“火星电池”想要实现进一步性能提升和广泛应用，需要不断引入新理念和新技术，克服一些技术挑战，包括且不限于大规模生产的工艺革新、在火星表面环境中的长期稳定性测试等。

值得注意的是，虽然“火星电池”研发工作主要针对火星环境特征，但“利用外星球大气成分作为燃料”的理念和相关技术途径是近似的。未来，针对具有大气层的其他外星球，比如金星、土卫六等，科研人员可以“因地制宜”研发探测器的新概念电池，拓展对外星球探测的能源解决方案。

“火星电池”工作依赖外星球大气环境，难免应用受限。国外一些航天创企提出了利用月球、火星等外星球资源原位制造太阳能电池的技术方案，或者发展太阳帆、磁场帆、太阳热动力系统等，规避复杂的供能挑战。

另外，很多科研人员长期以来希望采用适应性更强、供能更持久的空间核动力技术，满足外星球探索等深空探测需求。不过，空间核动力技术仍然存在一些影响大规模应用的技术难关。比如，核辐射的潜在危害限制了其应用范围，困扰着航天器控制体积和减重工作，对发射含核物质航天器的火箭资质也有规定。再比如，安装在外星球着陆器、巡视器上的新一代核装置有必要兼顾供电和保温功能，这就对热管技术和集成设计能力等提出了苛刻要求。

当前，人类的深空征程处于“起步”阶段，航天器供能方式革新路径五花八门，各有所长。相信，随着科研人员大胆创新、勇于探索，航天器必将获得高效、安全、适宜具体任务的供能方式，造访遥远的外星球。