江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

核动力|“毅力号”的核动力能源能否用到新能源汽车上？

火星毅力号核动力新能源汽车mmrtg

这是金属加工（mw1950pub）发布的第12700篇文章
编者按
北京时间2021年2月19日凌晨4时55分 ， “毅力号”火星车成功着陆在火星表面的杰泽罗陨石坑 ， 正式开启探测之旅 。 这是2020年“希望号”、“天问一号”、“毅力号”三个探测器分别出征火星以来首个登陆的火星车 ， 备受关注 。 而据最新报道在登陆火星不到一周的时间里 ， “毅力号”火星车已经发回了许多影像 。
据悉 ， “毅力号”计划实施为期一个火星年（687个地球日）的探测 ， 为了确保火星车能够在极端环境下工作（如火星沙尘暴） ， “毅力号”沿用了“好奇号”的多任务同位素热电发生器（MMRTG） 。 那这是怎样的一种动力系统？未来能否用到新能源汽车上呢？就此问题 ， 金属加工采访人员专访了中国航空工业集团公司信息技术中心原首席顾问、研究员宁振波先生 。
核动力|“毅力号”的核动力能源能否用到新能源汽车上？
文章插图

安装在“毅力号”上的MMRTG
01
“毅力号”的动力系统及相关知识
首先宁老给我们介绍了“毅力号”的动力系统及相关知识 。 “毅力号”是美国NASA长期以来火星探测的最新成果 ， 属于NASA“火星探索计划”（Mars Exploration Program）的一部分 。 它是美国第8个火星着陆探测器 ， 第5台火星车 ， 也是世界上第2辆采用multi-mission radioisotope thermoelectric generator， MMRTG驱动的火星车（第一辆是“好奇号”） 。
在“毅力号”之前 ， 着陆并工作的“火星车”有：
1）“旅居者号”：1997年7月火星探路者号（MESUR Pathfinder）所携带着陆的“旅居者号”（Sojourner）火星巡视器 。
2）“勇气号”和“机遇号”：2004年1月火星探测漫游者（Mars Exploration Rover, MER）所携带着陆的“勇气号”（Spirit, MER-A）和“机遇号”（Opportunity, MER-B） 。
3）“好奇号”：2012年8月火星科学实验室（Mars Science Laboratory）的“好奇号”（Curiosity）成功登陆火星 。
4）“毅力号”：“毅力号”沿用了“好奇号”的多任务同位素热电发生器（MMRTG） 。
“毅力号”长3m、宽2.7m、高2.2m ， 还有一个五关节的2.1m长的机械臂 ， 重1050kg ， 使用核动力装置MMRTG ， 是美国目前体积最大、重量最重的火星车 。 美国航空航天局主管科学的副局长托马斯·佐伯琴曾表示: “MMＲTG 装料是重要里程碑 ， 为实现2020 年7 月发射目标提供了保障 。 ”喷气推进实验室负责火星2020 探测车的制造 ， 该实验室将MMＲTG 描述为“核电池” ， 可以为航天器及其科学仪器提供约110W电力 ， 帮助系统保持足够温暖 ， 从而能够在空间和火星表面的寒冷条件下正常运行 。
美国过去27 个太空任务均使用了放射性同位素动力系统 ， 从1969 年阿波罗11号登月期间一些实验设备使用的放射性同位素加热器 ， 到目前活跃在火星上的“好奇号”火星探测车使用的放射性同位素热电发生器 。
MMＲTG 由美国能源部（DOE）提供 ， 能源部下属爱达荷国家实验室( INL) 负责将钚-238燃料装入MMＲTG ， 并根据任务的发射日期将MMＲTG 运往发射场 。 在此之前 ， 喷气推进实验室使用电加热版MMＲTG 来验证和模拟该系统与探测车的集成 。
放射性同位素电源科普：
自1961年SNAP3B-RTG实现了RTG空间首次应用以来 ， 其发展经历了如下几个阶段 。
核动力|“毅力号”的核动力能源能否用到新能源汽车上？
文章插图

美国 RTG 的发展阶段
1.第一阶段
美国RTG发展的第一阶段主要代表产品是SNAP19-RTG ， 其所用的温差电材料为Pb Te/TAGS ， 初期输出功率40.3W ， 热电转换效率6.2% ， 质量比功率3 W/kg ， 主要应用任务型号有“云雨”气象卫星、先驱10号/11号星际飞行探测器和海盗1/2号火星探测器 ， 其研制和应用的时期是20世纪60年代至70年代中期 。
2.第二阶段
第二阶段主要代表产品是MHW-RTG ， 其所用温差电材料是Si-Ge合金 ， 初期输出功率156W ， 热电转换效率6.6% ， 质量比功率4.2W/kg ， 主要应用任务型号有林肯1/2通信卫星和旅行者1/2星际飞行探测器 ， 其研制和应用的主要时期是20世纪70年代至80年代初期 。
3.第三阶段
第三阶段主要代表产品是GPHS-RTG ， 其所用温差电材料为Si-Ge合金 ， 初期输出功率292W ， 热电转换效率6.8% ， 质量比功率5.2W/kg ， 主要应用任务型号有伽利略木星轨道探测器、尤利西斯太阳极轨探测器、卡西尼土星探测器和新地平线冥王星探测器 ， 其主要研制和应用时期是20世纪80年代后期至二十一世纪初期 。
4.MMRTG使用
2003年6月 ， 美国能源部（DOE）为满足NASA火星实验室（MSL）的需求 ， 确定了多用途同位素温差电池（简称MMRTG）的研制任务 ， 要求MMRTG既能适应真空环境 ， 又能适应地外天体的大气环境 。 2011年11月26日MMRTG作为“好奇号”火星探测器的主电源发射成功 ， 2012年8月6日“好奇号”在火星表面安全着陆 ， 开始了火星表面巡视探测之旅 。
核动力|“毅力号”的核动力能源能否用到新能源汽车上？
文章插图

MMRTG安装在“毅力号”的翘起的尾部
MMRTG采用GPHS模块化通用热源 ， 继承了SNAP19-RTG的换能器设计 ， 温差电材料采用PbTe/TAGS ， 初期输出功率125W ， 热电转换效率6.4% ， 质量比功率2.8W/kg ， 其结构如下图所示 。
核动力|“毅力号”的核动力能源能否用到新能源汽车上？
文章插图

MMRTG设计结构图
虽然美国一直致力于寻找温差电换能技术的替代者 ， 并且用斯特林换能技术的斯特林同位素发电器进行了大量的地面验证试验 ， 但目前来看对于未来的深空探测任务 ， MMRTG还是首选 。
02
MMRTG为什么能适应火星情况
对于MMRTG动力系统优劣势有哪些？为什么能在火星低光强与沙尘暴以及夜间低温情况下运行？宁老讲到火星上的环境比较恶劣：一方面火星离太阳较远 ， 在火星上能够收到的光照强度要比地球上收到的弱得多 ， 只有地球的40%左右 。 另一方面 ， 火星的表面环境较复杂 ， 其表面风很大 ， 沙尘暴频发 ， 一次爆发会持续数周 。 在2018年一次席卷全火星的沙尘暴中 ， 机遇号最终还是没挺过来 ， NASA最终于2019年2月宣布任务中止 。
正是因为火星低光强与沙尘暴 ， 所以航天器需要进行严格的保温措施以应对夜间的低温 。 与其他动力源相比 ， 最好的动力是核动力 。 其工作时间长（半衰期为87.7年） ， 输出稳定（在任何情况下提供125W的功率输出） ， 并且不受太阳能的限制 ， 特别是在有沙尘暴的情况下 。 而且核动力还能为仪器供电 ， 输出热量保温 ， 持续工作能力强 。 与“机遇号”上的8个1W的核能加热元件相比 ， “毅力号”能够稳定输出125W的核动力 。
当然MMＲTG也面临着3个方面的挑战：
（1）在满足长寿命要求的条件下 ， 提高换能器系统的热电转换效率；
（2）钚-238的严重短缺问题；
（3）同位素电源系统需要承受5000g的冲击问题 。
03
新能源汽车将选择何种能源
我们知道 ， 燃油车禁售日期渐渐逼近 ， 新能源车发展势头强劲 ， 可是谈及新能源车 ， 消费者最关心的就是新能源车电池的续航能力以及安全性 ， 目前市面上所说的几种新能源主要有（比亚迪开发的）刀片电池、石墨烯电池、氢能以及三元锂电池和磷酸铁锂电池 。 这些能源谁将最终成为新能源汽车的动力来源？对于这一点 ， 宁老认为作为大众消费品的汽车 ， 应用普及且广泛 ， 未来的新型能源应该满足快速便捷充电 ， 长时间续航的要求 ， 且可回收 ， 不污染环境 ， 安全绿色环保 。 另外 ， 这种能源应该容易从大自然中获取 ， 制造成本低廉 ， 可以循环使用 。
04
【核动力|“毅力号”的核动力能源能否用到新能源汽车上？】核动力电池才是汽车的终极能源？
从燃油车过渡到新能源车是人类历史发展的必然选择 ， 在这一过程中 ， 人类也做过很多的尝试 ， 寻找各种能源 ， 如上述的刀片电池、氢能等 ， 而核能则因效率高、能量大、寿命长被人类称为终极能源 。 核能在发电、航母、舰艇等领域广泛使用 ， 并且发往外太空的“好奇号”和“毅力号”火星车也用了核动力电池 。 那核能是否能用到汽车上？对于这一问题 ， 宁老讲到其实汽车界的前辈们一直在探索 。 1957年 ， 福特就曾提出过核动力汽车Nucleon ， 并设计了原型车；随后 ， 凯迪拉克和奥迪分别于2009和2010年设计了核动力原型车WTF ， 但最后都没有量产 。 主要还是考虑到安全问题 ， 核动力就像未被降服的猛兽 ， 一旦爆炸造成的影响是巨大且不可逆的 ， 2011年日本发生福岛第一核电站事故 ， 直至8年后的今天 ， 全球依旧谈核色变 。
在此宁总也普及了核能利用的三种形式：核裂变、核聚变和核衰变（是指原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程 ， 在此不作详细说明） 。
核裂变目前是人类利用核能的主要形式 。 原子核中蕴藏巨大的能量 ， 原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放 。 核裂变 ， 又称核分裂 ， 是指由重的原子 ， 主要是指铀或钚 ， 分裂成较轻的原子的一种核反应形式 。 原子弹爆炸以及裂变核电站或是核能发电厂的能量来源都是核裂变 。 其中铀裂变在核电厂最常见 ， 加热后铀原子放出2到4个中子 ， 中子再去撞击其他原子 ， 从而形成链式反应而自发裂变 。
核聚变是指由轻的原子核变化为重的原子核 。 质量小的原子 ， 主要是指氘或氚 ， 在一定条件下（如超高温和高压） ， 发生原子核互相聚合作用 ， 生成新的质量更重的原子核 ， 并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式 。 如太阳发光发热的能量来源 。
核裂变主要原料是铀、钚、钍等金属元素 ， 但这些元素在地球上含量极少；而核聚变的原料就丰富得多 。 此外 ， 核聚变产生的能量比核裂变更巨大 ， 且不用担心核辐射 ， 是真正的取之不尽用之不竭的清洁能源 。
为了更好地与大自然和谐相处 ， 伴随着科技进步 ， 人类探索清洁高效能源的步伐从未停止 。 核能虽然在理论上可以用到汽车上 ， 但仍然存在很多关键致命的问题没有得到解决 ， 如可控核聚变的研制及小型化问题 ， 以及安全问题 ， 一旦突破而且解决了这些技术难关 ， 核能才能成为终极能源 。 可以说：“道阻且长 ， 行则将至 ， 行而不辍 ， 未来可期” 。
-End-
参考文献：
[1]王廷兰.深空探测用同位素电源的研究进展.电源技术;
[2]焦毅.“机遇号”的不凡之旅.军事文摘；
[3]王 树,伍浩松.美火星 2020 探测车装载钚-238 燃料.国外核新闻;
[4]跆拳道大灰狼.让人类重新认识火星——解析刚登陆火星的毅力号.航天爱好者;
[5]NASA官网：https://www.nasa.gov/.


    推荐阅读


    上一篇：蜂群|制约蜂群发展速度十大因素

    下一篇：蜻蜓|蜻蜓，飞行界的王者，科学家研究多年，仍未完全搞清楚蜻蜓的秘密