鉅大LARGE | 點擊量：1380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射升空的美國國家特種航天局（NASA）的“洞察”號火星探測器，經歷了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，執行人類首次探究火星“內心深處”奧秘的任務。“洞察”號的成功將再次點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。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。據估計，火星直徑只有地球的1/2，其體積是地球的15%，質量大約為地球的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。火星的公轉軌道半徑是地球的1.5倍，公轉一年近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，在地質結構和巖石成分上，火星和地球也頗為相近。火星上的巖石年齡，據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能在地球上產生，為什么生命就不能在火星上產生呢？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年蘇聯發射火星1號探測器揭開人類探索火星的序幕以來至20世紀末，蘇聯和美國向火星發送了近30艘飛船，可謂失敗與成功參半，挑戰與機遇并存。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越性，有的場合甚至成為唯一選擇。
放射性同位素衰變時產生的熱能可直接利用，也可通過核能器轉變成電能使用。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，描繪火星大氣的結構和組成，搜索火星上有無生命的證據，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）結構，由三條腿支撐（圖1）。這三條支撐腿正好構成了等邊三角形（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同位素溫差發電器（SNAP-19RTG）。每臺發電器內裝填有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；最外層還套有石墨保護層，以確保同位素熱源在空間發射和使用過程中的安全性與可靠性。每臺熱源能產生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熱源經熱電轉換后，產生的初始電功率42.5W，轉換效率為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境下可以穩定地工作。
“海盜號”的考察結果顯示：火星是一個荒涼的世界。其表面也有環形山，大峽谷、山脈以及蜿蜒曲折、外貌酷似河床的結構物，卻未發現任何高級生命跡象，從而排除了有關火星人的推測。此外，也發現了大量不同尋常的現象，顯示火星過去，甚至現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”的考察結果提出了質疑。他們通過實驗發現，“海盜號”著陸器上的氣相色譜-質譜聯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發現火星微生物，但是由于沒有意識到，在隨后的操作中，這些微生物發生了“溺亡”或者“熱死”現象。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。
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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日美國發射了“火星探路者”飛船，這是美國特種航天局執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，并在著陸前數秒鐘打開9個巨大的保護氣囊。火星探路者在密封氣囊的保護下，經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，依靠太陽能驅動發動機；利用無線電遙控傳遞信息，與地球保持聯系，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，質量約40g，能輸出1W熱量。其內裝有近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”發射之前，曾在“先驅者號”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的36臺）；還在“火星探路者”發射之后，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，科學家發現火星的山谷平原暴發過多次洪水，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”是一臺每秒能執行約2000萬條指令的計算機。總共耗資8.2億美元。他們先后在2003年6月10日和7月7日發射升空，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，兩者間隔10600千米，在火星兩側幾乎完全相對。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揮，使實際考察時間大大延長。勇氣號在其著陸區發現了火星上過去可能有水的新證據。“機遇號”在火星上的最大發現是火星上曾經比現在溫暖和濕潤得多，而且存在過含有鹽分的液態海洋。“火星探路者”和后來的“勇氣號”、“機遇號”探測項目都找到了大量的地質學和礦物學的證據，證明火星上確實曾經存在大量的水。
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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電器”（簡稱MMRTG）供電。這種RTG是由“海盜號”同位素溫差發電器（SNAP-19RTG），百瓦級同位素溫差發電器（MHWRTG），特別是通用型同位素溫差發電器（GPHS-RTG）發展而來。雖然它也由兩個主要部件：钚238熱源和熱電轉換器組成，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。經熱電轉換后，初始電功率可達123W，熱電轉換效率為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。它還可以提供持續的電能，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。可以說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。總共攜帶了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和含量；測定火星表面生命元素的含量；調查火星表面的化學元素、同位素和礦物構成；弄清火星表面的水和二氧化碳的存在形態、分布情況和循環過程等。從而探索過去及現在火星是否存在適宜生命存在的環境。
2015年6月18日，“好奇”號探測器在火星隕石樣本中發現大量甲烷，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現新證據，說明這顆紅色行星可能曾經存在生命，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，或者是否曾經存在過有智慧的高級生物，還是一個難解之迷。
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