鉅大LARGE | 點擊量：1359次 | 2018年12月29日
在火星上的放射性同位素電池
編者的話：
在編輯此篇文章時，“好奇”號和“機遇”號又在火星上迎來了一個同胞兄弟。2018年5月5日從加州的范登堡空軍基地發(fā)射升空的美國國家特種航天局（NASA）的“洞察”號火星探測器，經(jīng)歷了6個月的太空航行，于美國東部時間26日14時54分許（北京時間27日3時54分許）在火星成功著陸，執(zhí)行人類首次探究火星“內(nèi)心深處”奧秘的任務?！岸床臁碧柕某晒⒃俅吸c燃人們對太空生活的夢想。
太陽系里有八大行星在周而復始、永不停息地圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)。他們離太陽的距離由近及遠依次排列為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。由此可見，火星是地球的近鄰。人類對火星為什么會情有獨鐘？不僅是因為從地球上遙望火星，顏色鮮紅，引人遐想。更因為是火星和地球十分相似，素有姐妹星之稱。據(jù)估計，火星直徑只有地球的1/2，其體積是地球的15%，質(zhì)量大約為地球的1/10。但是，火星與地球一樣有晝夜之分（一個晝夜為24小時37分），也有四季變換?；鹦堑墓D(zhuǎn)軌道半徑是地球的1.5倍，公轉(zhuǎn)一年近687個地球日。由于火星離太陽遠，白天溫度為20～28℃，夜間溫度降至零下80℃，兩極最低溫度可達零下139℃。火星也有大氣，但要稀薄得多。另外，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖石成分上，火星和地球也頗為相近?；鹦巧系膸r石年齡，據(jù)推斷與地球上最古老的巖石年齡大致相仿，估計在36～39億年。
既然生命在這樣漫長的時間內(nèi)能在地球上產(chǎn)生，為什么生命就不能在火星上產(chǎn)生呢？火星上究竟有無火星人，或者有無生命跡象？當人類進入航天時代后，火星理所當然與月球一樣成為十分誘人的探測目標，并激起一波又一波的火星探測熱。
自1962年蘇聯(lián)發(fā)射火星1號探測器揭開人類探索火星的序幕以來至20世紀末，蘇聯(lián)和美國向火星發(fā)送了近30艘飛船，可謂失敗與成功參半，挑戰(zhàn)與機遇并存。新世紀來臨后，“奧德賽”、“勇氣號”、“機遇號”一艘艘飛船接連登陸火星，獲得了不少來自火星的信息。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
當飛船向外層行星飛行時，由于太陽光強度隨著離開太陽距離的增加而呈平方關系下降，因而在飛往火星、木星、土星等外層行星時，使用放射性同位素電池作為飛船能源顯示出很大的優(yōu)越性，有的場合甚至成為唯一選擇。
放射性同位素衰變時產(chǎn)生的熱能可直接利用，也可通過核能器轉(zhuǎn)變成電能使用。后者研究最為成熟的是放射性同位素溫差發(fā)電器（簡稱RTG）。美國“阿波羅”登月計劃、火星及其他外行星探測之所以取得很大成功，與選擇使用RTG和RHU（放射性同位素加熱器）是分不開的。
值得一提的是1975年“海盜1號”和“海盜2號”探測器在火星上的軟著陸；1996年“火星探路者”漫游車的首次行走；2004年“勇氣號”和“機遇號”漫游車的相繼巡視，使人類對火星的認識不斷深化。2012年在火星探索50年之際，“好奇號”核動力火星越野車的登陸，再次給人類帶來新的驚喜，期盼能進一步揭開火星上的生命之謎。
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放射性同位素電源供電的
火星著陸器
—“海盜1號”和“海盜2號”
為了獲得高分辨率的火星表面圖像，描繪火星大氣的結(jié)構(gòu)和組成，搜索火星上有無生命的證據(jù)，美國在20世紀70年代中期啟動了“海盜號”火星探測計劃。耗資10億美元。兩艘完全相同的宇宙飛船“海盜1號”和“海盜2號”分別于1975年8月20日和9月9日發(fā)射升空。每艘飛船由軌道器（即軌道飛行器）和著陸器組成。長為5.08m，重3530kg（其中軌道器重2330kg，登陸艙重1200kg）。兩艘飛船的著陸器先后于1976年7月20日和9月3日在火星表面軟著陸。軌道器的主要功能是運送著陸器，確認著陸地點，作為著陸器與地球的通信中繼，并進行其自身的科研項目。軌道器由4塊太陽能電池帆板供能（電功率620W）。
“海盜1號”和“海盜2號”著陸器，實際是一座太空實驗室。著陸器呈六邊形（非等邊）結(jié)構(gòu)，由三條腿支撐（圖1）。這三條支撐腿正好構(gòu)成了等邊三角形（邊長為2.21m）。著陸器的最大特點是能源供應全部來自放射性同位素溫差發(fā)電器。
美國空間用同位素電池幾乎都使用了钚238燃料（它與用作核武器裝料的钚的另一種同位素，钚239性質(zhì)不同），這是因為它具有合適的功率密度（0.41W/g）；足夠長的半衰期（87.7年，熱功率衰變<1%/年）和很低的γ輻射（可大大減輕屏蔽重量）等優(yōu)點。考慮到火星上有嚴寒的夜晚和嚴重的沙塵暴，加之火星上太陽光通量只有地球的一半，因而每艘著陸器均使用了2臺钚238同位素溫差發(fā)電器（SNAP-19RTG）。每臺發(fā)電器內(nèi)裝填有40千居里二氧化钚-鉬的固溶體陶瓷燃料，然后密封在采用三層不同合金材料制成的燃料盒內(nèi)；最外層還套有石墨保護層，以確保同位素熱源在空間發(fā)射和使用過程中的安全性與可靠性。每臺熱源能產(chǎn)生675W熱量。熱源外圍的換能器由N型半導體碲化鉛元件和p型半導體TAGS元件（碲、銻、鍺、銀的合金）組成。钚238熱源經(jīng)熱電轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生的初始電功率42.5W，轉(zhuǎn)換效率為6.3%。RTG的高度為28cm，直徑為58cm。重15.2kg，比功率達到2.8W/kg。
著陸器上的2臺RTG，發(fā)出的總電功率為85瓦，原設計壽命為90天。實際上“海盜1號”著陸器在火星表面工作了6年多（直至1982年11月13日失去聯(lián)系），而“海盜2號”著陸器也工作3年半（1980年4月11日電池失效后關閉）。證明同位素電池在火星的極端環(huán)境下可以穩(wěn)定地工作。
“海盜號”的考察結(jié)果顯示：火星是一個荒涼的世界。其表面也有環(huán)形山，大峽谷、山脈以及蜿蜒曲折、外貌酷似河床的結(jié)構(gòu)物，卻未發(fā)現(xiàn)任何高級生命跡象，從而排除了有關火星人的推測。此外，也發(fā)現(xiàn)了大量不同尋常的現(xiàn)象，顯示火星過去，甚至現(xiàn)在還有水存在的跡象，包括明顯的沖刷痕跡，河床遺跡等。
近年來，不少科學家對當年“海盜號”的考察結(jié)果提出了質(zhì)疑。他們通過實驗發(fā)現(xiàn)，“海盜號”著陸器上的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀設計上存在很大問題，這種儀器甚至都不能從與火星類似的地球土壤中探測出生命物質(zhì)的存在，而通過其他的方法卻探測出含有微生物。還有科學家認為，“海盜號”火星探測器在30多年前可能無意中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)火星微生物，但是由于沒有意識到，在隨后的操作中，這些微生物發(fā)生了“溺亡”或者“熱死”現(xiàn)象。這些觀點可能有助于今后火星探測任務的開展，有望找到可能存在與地球不同的生命形態(tài)。
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放射性同位素熱源供熱的
火星漫游車—“火星探路者”、
“勇氣號”和“機遇號”
1996年12月4日美國發(fā)射了“火星探路者”飛船，這是美國特種航天局執(zhí)行火星探測計劃的一個組成部分。1997年7月4日，飛船進入火星大氣層，然后依靠降落傘以每小時88.5千米的速度飄向火星表面，并在著陸前數(shù)秒鐘打開9個巨大的保護氣囊?；鹦翘铰氛咴诿芊鈿饽业谋Ｗo下，經(jīng)過十幾次彈跳和翻滾之后，終于在火星表面著陸。隨后，飛船打開外側(cè)的電池板，重約10千克的6輪漫游車緩緩駛出飛船。這是人類首次采用漫游車的形式展開對火星的考察活動。
火星探路者漫游車的長度、寬度、高度各為0.60m、0.46m、0.18m，重量約7.5kg。它攜帶有太陽能電池帆板，依靠太陽能驅(qū)動發(fā)動機；利用無線電遙控傳遞信息，與地球保持聯(lián)系，并按照地面操作進行活動。漫游車上還裝有157臺RHU，以供電子器件加熱用，否則度過一個火星夜晚后，漫游車將不能繼續(xù)行走，因為火星夜晚的最低溫度會降至－80℃。
RHU的尺寸為直徑26mm，高度32mm，質(zhì)量約40g，能輸出1W熱量。其內(nèi)裝有近2.7克的二氧化钚陶瓷燃料片，用鉑-銠合金殼焊封，其外再套上石墨屏蔽層。為了確保钚238熱源的安全，包殼端蓋上還設置有氦氣釋放孔。對于遠離太陽的深太空飛船，使用一定數(shù)量的同位素加熱器，可防止搭載的各種探測器免受嚴寒的危害。例如在“火星探路者”發(fā)射之前，曾在“先驅(qū)者號”飛船上配置有12臺RHU；在飛往木星的“伽利略號”飛船上安裝有120臺RHU（包括在軌道飛行器上的84臺和在大氣探測器內(nèi)的36臺）；還在“火星探路者”發(fā)射之后，飛往土星的“克西尼號”飛船上也安裝了135臺RHU。
火星探路者漫游車的探測取得不少收獲。經(jīng)對由古代洪水沖刷形成的一個488平方米的小島作詳盡觀察，科學家發(fā)現(xiàn)火星的山谷平原暴發(fā)過多次洪水，并有眾多由水沖擊而來的圓形巖石，其中許多巖石沿同方向排列，表明它們受到同樣水流的沖擊。
2003年美國航天局又向火星發(fā)射了一對孿生漫游車——“勇氣號”和“機遇號”。車長1.6m、寬度2.3m、高度1.5m，重量為174kg。他們的“大腦”是一臺每秒能執(zhí)行約2000萬條指令的計算機?？偣埠馁Y8.2億美元。他們先后在2003年6月10日和7月7日發(fā)射升空，并分別于2004年1月3日和1月25日安全著陸在火星表面。其中“勇氣號”著陸在火星南半球的一個隕石坑，“機遇號”則著陸在一個富含赤鐵礦的地區(qū)，兩者間隔10600千米，在火星兩側(cè)幾乎完全相對。這兩輛火星漫游車均依靠餐桌大小的太陽能電池帆板獲得能源，使用了8臺RHU，以使車載探測儀器安全度過火星夜晚。
“勇氣號”預定考察使命為90天，由于探測器的除塵功能得到了有效發(fā)揮，使實際考察時間大大延長。勇氣號在其著陸區(qū)發(fā)現(xiàn)了火星上過去可能有水的新證據(jù)?！皺C遇號”在火星上的最大發(fā)現(xiàn)是火星上曾經(jīng)比現(xiàn)在溫暖和濕潤得多，而且存在過含有鹽分的液態(tài)海洋?！盎鹦翘铰氛摺焙秃髞淼摹坝職馓枴?、“機遇號”探測項目都找到了大量的地質(zhì)學和礦物學的證據(jù)，證明火星上確實曾經(jīng)存在大量的水。
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放射性同位素電源供電的
火星越野車—“好奇號”
近年來，火星探測目標就圍繞火星是否曾經(jīng)支持生命的存在而進行。2011年11月26日，“好奇號”火星越野車從肯尼迪航天中心發(fā)射升空，順利進入飛往火星的軌道。該火星車的名字Curiosity由美國堪薩斯州6年級華裔女孩馬天琪提出，經(jīng)美國特種航天局決定從9個候選名字中進行投票后勝出。2012年8月7日“好奇號”在火星的蓋爾隕石坑山腳著陸（此處被地質(zhì)學家認為是一個古代的湖泊沉積場所），展開為期一個火星年的探測。美國特種航天局在經(jīng)費不斷削減，航天飛機又告終止的時刻，這項任務能否順利完成對其來說至關重要。
“好奇號”火星越野車，長3m、寬2.8m、高3m、重約900千克。與“勇氣號”和“機遇號”相比，長度約為他們的兩倍，重量是他們的5倍多。耗資達25億美元。計劃將以前所未有的精度，尋找火星上可能存在過的水的痕跡，以及其他生命存在的基礎。
“好奇號”火星車屬于新一代移動式科學實驗室。其最大特點是全部采用核動力。它由“多使命放射性同位素溫差發(fā)電器”（簡稱MMRTG）供電。這種RTG是由“海盜號”同位素溫差發(fā)電器（SNAP-19RTG），百瓦級同位素溫差發(fā)電器（MHWRTG），特別是通用型同位素溫差發(fā)電器（GPHS-RTG）發(fā)展而來。雖然它也由兩個主要部件：钚238熱源和熱電轉(zhuǎn)換器組成，但卻采用了更加標準、更加靈活的模塊化設計。MMRTG由8個通用型熱源模塊組成，總共使用了4.8千克238PuO2陶瓷燃料。每個模塊能發(fā)出250W熱量，總熱能輸出為2000W。換能器采用半導體熱電元件，其中n型元件為PbTe，p型元件為TAGS。經(jīng)熱電轉(zhuǎn)換后，初始電功率可達123W，熱電轉(zhuǎn)換效率為6.3%。設計壽命為14年，到終了時電功率還剩下99W。這臺MMRTG直徑約64cm，高66cm，總重量為45kg。
MMRTG產(chǎn)生的電力可用來為兩塊鋰電池充電。每塊電池的容量是42安培小時，按照設計，這些電池將在每一個火星日完成一次充電-放電循環(huán)。它還可以提供持續(xù)的電能，并能適應多種不同任務的需求。完全采用核動力供電方式，可使火星車徹底擺脫對陽光的依賴，并大大延長其在火星表面的運行壽命。當年“勇氣號”正是由于太陽能帆板被沙塵覆蓋，又面臨火星嚴酷的冬季環(huán)境而永遠無法蘇醒過來了。
“好奇號”火星車的第二個特點是在火星表面的行駛能力更強?？梢哉f是一輛很好的越野車。前述“火星探路者”漫游車的總行程只有100米，而“好奇號”火星車的設計行程將超過19千米，并能攀登山丘。
“好奇號”火星車的第三個特點是攜帶了更多、更先進的探測設備?？偣矓y帶了10臺科學儀器，通過這些車載儀器的工作，將弄清火星表面可能存在的有機物的性質(zhì)和含量；測定火星表面生命元素的含量；調(diào)查火星表面的化學元素、同位素和礦物構(gòu)成；弄清火星表面的水和二氧化碳的存在形態(tài)、分布情況和循環(huán)過程等。從而探索過去及現(xiàn)在火星是否存在適宜生命存在的環(huán)境。
2015年6月18日，“好奇”號探測器在火星隕石樣本中發(fā)現(xiàn)大量甲烷，證明了火星上有微生物存在。2018年6月7日，美國航天局研究人員說，“好奇”號火星車在火星巖石和大氣中發(fā)現(xiàn)新證據(jù)，說明這顆紅色行星可能曾經(jīng)存在生命，甚至可能仍存在生命。火星上究竟是否存在與地球不同的其他形式的生命，或者是否曾經(jīng)存在過有智慧的高級生物，還是一個難解之迷。
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