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風(fēng)力發(fā)電機 聽說火星上風(fēng)很大，那祝融號可以用風(fēng)力發(fā)電嗎？

2021年5月22日，祝融號火星車安全駛離著陸平臺，到達火星表面，開始巡視探測。在火面工作期間，火星車將按計劃開展巡視區(qū)環(huán)境感知、火面移動和科學(xué)探測。
人要干活，就得好好吃飯。同樣，要讓火星車完成各種任務(wù)，就需要供給穩(wěn)定的能量。那么，在探測火星期間，祝融號的能量來源是什么？火星上也刮風(fēng)，祝融號能用風(fēng)電嗎？
風(fēng)力發(fā)電機 聽說火星上風(fēng)很大，那祝融號可以用風(fēng)力發(fā)電嗎？
文章插圖

著陸火星后的祝融號藝術(shù)效果圖
（圖片來源：國家航天局）
航天器的能量來源
太陽能是絕大多數(shù)航天器進入太空后主要的能量來源。空間站和人造衛(wèi)星等航天器一般都有一雙光伏電池“翅膀”，通過將光能轉(zhuǎn)化為電能，保障內(nèi)部儀器設(shè)備的運轉(zhuǎn)。由于太空不存在陰天、光線散射等情況，因此發(fā)電效率要比地球高得多，基本可以滿足其內(nèi)部的能源需求。
當(dāng)然，太陽能也是絕大多數(shù)的火星車、月球車等空間探測器的能量來源，但并不是唯一的選擇。為了保證可靠的性能，提供較大的功率，NASA好奇號火星車就利用核電池進行供電。
北京時間2月19日凌晨4時55分，“毅力號”（Perseverance）火星車不經(jīng)變軌直接突入火星大氣層，率先登陸火星地表，開啟本輪火星探測的新階段。不可否認(rèn)的是，核電池能量密度極高，是星際旅行的最佳能源方案。在未來的深空探測計劃中，核電池會發(fā)揮越來越大的作用。這輛尺寸和小型汽車相近的火星車是人類歷史上第二個核動力火星探測器，所需能源全部由多任務(wù)同位素溫差電源提供。
經(jīng)過多年發(fā)展，美國同位素核電源技術(shù)已經(jīng)相對成熟，預(yù)計在美國未來的深空任務(wù)中，同位素電源的使用會愈加頻繁。但目前核電池的制造成本過于高昂，還會產(chǎn)生放射性廢物，技術(shù)上還有極大的提升空間。因此，在未來很長一段時間內(nèi)，太陽能電池仍舊是多數(shù)航天器的標(biāo)準(zhǔn)配置。
在深空中，航天器能依靠的只有太陽能與核能，但一旦登陸火星，對太陽能的利用就大打折扣了。由于火星的陽光密度低，并且存在長達半年的黑夜期。在這期間，太陽能電池完全無法發(fā)揮作用。而蓄電池儲存能力有限，火星車只能休眠等待下一次的光照。此外，宇宙射線過強會導(dǎo)致太陽電池失效，陽光太弱則難以保證電力的穩(wěn)定輸出。有沒有其他的能量來源供火星車?yán)媚兀?br /> 火星豐富的風(fēng)資源
不同于處于真空環(huán)境中的月球，火星具有大氣層，主要是由二氧化碳（95.3%）、少量的氮氣、氬氣、氧氣和水汽組成的。觀測結(jié)果顯示，由于缺少地磁場的保護，太陽風(fēng)（來自太陽的高速粒子流）會在火星外層產(chǎn)生一個強電場，加速大氣中帶電離子逃逸至太空中，使得火星的大氣層異常稀薄，而大氣的存在意味著火星上會產(chǎn)生風(fēng)。
2018年12月，NASA通過“洞察號”(InSight)火星車內(nèi)部的探測儀器，意外地采集到了火星上風(fēng)的“聲音”，預(yù)計風(fēng)速在每秒4.5-6.7米，人類的耳朵首次聽到了地球之外的風(fēng)聲。此后的一段時間內(nèi)，洞察號檢測到的最強風(fēng)力達到了28 m/s。
為什么火星上會刮風(fēng)呢？本質(zhì)上，風(fēng)能是太陽能的一種間接表現(xiàn)形式，地面各個區(qū)域接收到太陽輻射強度存在差異，導(dǎo)致氣體在溫差和壓強作用下產(chǎn)生流動，從而形成了風(fēng)。由于大氣和海洋的保溫控溫作用，地球的晝夜溫差不大。與之相比，稀薄的大氣使得火星的保溫效果很差——受太陽烘烤的一面，溫度在35℃左右，而背陰面可降到-70℃，冷熱氣體之間形成巨大的壓力差導(dǎo)致了強風(fēng)的產(chǎn)生。
可以在火星車上安裝風(fēng)力發(fā)電機嗎？
火星上蘊含著豐富的風(fēng)能資源，風(fēng)力強勁，可以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電，但發(fā)電效率極低。其原因是火星的大氣密度大約只有地球的1%，這意味著平均風(fēng)速要接近于地球上的4.5倍才能產(chǎn)生相當(dāng)?shù)陌l(fā)電量。
直觀來說，火星上的風(fēng)力發(fā)電似乎毫無優(yōu)勢。不過，對依賴于光伏電池的火星車而言，風(fēng)能雖然不能為火星車提供充足的電力，但在上面安裝小型風(fēng)力發(fā)電機，采用微風(fēng)發(fā)電模式，將風(fēng)能作為一種可靠的互補能源，可以讓其在黑夜期或遭遇沙塵暴時，保證能源的供應(yīng)。
風(fēng)力發(fā)電機 聽說火星上風(fēng)很大，那祝融號可以用風(fēng)力發(fā)電嗎？
文章插圖

地球和火星上的風(fēng)力機發(fā)電功率對比（紅色：地球，黑色：火星）（圖片來源：參考文獻4）
2010年秋天，丹麥奧胡斯大學(xué)（Aarhus University）的科研人員在風(fēng)洞“模擬器二號”（Simulator II）中模擬火星大氣條件下工作的小型風(fēng)力發(fā)電機，研究結(jié)果肯定了在火星上使用風(fēng)能的可能性。

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