火星探測器該用太陽能或核能？

一、美國的經驗

     登陸火星是一個漫長又艱鉅的任務，耗費金錢甚鉅，而火星探測車的使用壽命完全是由其動力能源決定，這就是為什麼美國航太總署(NASA)設計毅力火星探測器時選用鈽放射性同位素電池作為能源。太空探索有時去一些非常遙遠的地方，多沙塵的惡劣環境，這時太陽能可能無法提供所需的能量，光線無法到達那些位置。 當然，NASA有許多火星飛行任務是靠太陽能運行的，目前在火星上執行任務的洞察號就裝有太陽能電池板，早期的火星車精神號與機遇號也是用太陽能。但是機遇號曾受到一場大規模的火星沙塵暴遮蔽其太陽能板使其喪失功能，但使用核能就不必擔心這種情況。

     對於毅力號漫遊車，美國NASA採用了裝置鈽238的多任務放射性同位素熱電產生機（MMRTG），該系統能夠為航天器供電約14年。2011年美國發射的好奇號火星車也是使用鈽核電池。根據美國能源部的數據，MMRTG，價格為7500萬美元，非常昂貴。毅力號的MMRTG可產生110瓦的功率，與燈泡所用的功率大致相同。鈽同位素放射能會衰減，產生熱量，發電機的熱電耦裝置將其轉化為電力提供儀錶動力，並產生足夠的熱量以保護航天器免受火星寒夜冷凍及冬天影響。

二、天問一號使用太陽能的討論

     中國大陸第一個火星探測器天問一號於7月23日在海南文昌發射升空，天問一號火星車的能源由媒體報導得知，動力來源是依靠4片太陽能電池板，通過將太陽能轉化為可供各種載荷使用的電能。而之前美國的好奇者號以及中國探月工程中的嫦娥4號都使用鈽核電池，也就是利用放射性材料在核裂變過程中所釋放的熱能，驅動熱電耦發電，將核能轉化為電能。與傳統的太陽能板比較，核電池具有抵抗惡劣環境及壽命長等優點，為何天問一號不用核電池?

從經濟性來討論，核電池設備價值7500萬美元非常昂貴，中國大陸是第一次登陸火星，又是高難度的繞落尋一氣呵成，坦白說，誰也沒把握一定成功，用簡單的太陽能板可降低成本及風險，相信日後還是會用核電池的。從設計目標上看，好奇號計畫工作時長達4年之久，而且需要不定期地變換工作所在地點，所以搭載核電池才能夠完成任務。天問一號火星車應屬試探性質，其預定的執行任務時間僅3個月左右，因此天問號火星車採用太陽能供電。

    另外，鈽238同位素核電池，由於其半衰期長達80多年，因此適合距離地球較遠的深空探測，離太陽較遠的深空，太陽能非常稀薄所以使用鈽核電池較好，另外也要考慮火星沙塵遮蔽太陽能板的問題。天問一號火星車之所以採用太陽能板而不用核電池，可能是在安全性前提下降低成本風險採取的最經濟方案。

三、放射性同位素熱電機（Radioisotope Thermoelectric Generator，簡稱為RTG）

     RTG的典型設計包含兩個關鍵成分：會產生放射性衰變的同位素和能將熱能轉化為電能的熱電偶。RTG燃料的選擇需要幾個條件:(1)能產生高輻射熱能(2)具有長半化期(3)熱功率密度大。在RTG有限長度的材料上，α衰減將產生最多的熱量，因此合適的RTG燃料能放出阿爾法射線。為了製造緊湊的RTG設備，每個元素都必須相當小，對於最終將用於小型外星飛行器/應用的RTG，重量和效率最終成為最重要的因素。基於上述因素，RTG燃料最常用的同位素包括Pu-238，鍶90和Cm-244，其中Pu-238是最常用的燃料。Pu-238具有高輻射α衰變輸出，屏蔽需求低，半衰期長達88年，並且燃料粒可包裝成棉花糖大小。同位素產生的熱量由分配模塊收集，這些模塊將熱量發送到熱電偶組，這些熱電偶將熱量轉換成有用的電。

    RTG主要缺點是熱電轉換效率低，通常在5％到9％之間。RTG的簡單設計使其在地球和太空中的各種應用中都得到應用。在功能上，MMRTG實際上與RTG完全相同，使用Pu-238作為其輻射燃料，唯一重大升級就是使用更新和改進的熱電轉換器，即PbTe / TAGS器件，可在14年間從Pu-238燃料取出100至125瓦之間的電能。MMRTG設計一直可靠地伴隨好奇號火星車。放射性同位素熱電機不是核能發電廠那種利用核分裂連鎖反應產生能量，而是利用放射性同位素在衰減過程中放出的熱能轉化為電能。熱電偶的溫差產生熱電效應就會產生電壓，提供穩定的電流。這樣的電源雖然能量轉換效率低，但是能量夠大、體積小，不需維修。那些深入木星軌道以外的美國太空船，由於陽光不足，因此幾乎都用RTG。

四、中國自主研發的核電池

    由於月球自轉和公轉都是28天，所以月球夜長達14天，晝夜溫差達300℃，從零下150度到180度，若天氣太冷，月球車上的所有儀器會凍壞。中國的月球車實際上同時使用太陽能和核能，當溫度驟降到零下100多攝氏度，為防止車載儀器被凍壞，休眠中的月球車就得靠核電池的能量來保溫，並維持與地面的通訊。而一旦新一個白晝來臨，太陽能電池就能重新驅動月球車工作。中國第一塊放射性同位素電池於1971年3月12日誕生於中科院上海原子核所，以釙210為燃料，輸出電功率為1.4瓦，熱功率35.5瓦，隨著中國核電站數量增加，乏燃料後處理提取的錼237原料逐漸積累，為後來開發鈽238電池奠定基礎。中國月球車搭載的核電池，是由中國原子能科學研究院帶頭研發的。嫦娥三號將使用的中國核電池可連續工作30年。鈽238熱源對在月球環境下生存的嫦娥三號的保溫至關重要。

    雖然中國的同位素電池的功率與「好奇號」電池的140瓦左右的功率還有距離，但只要研發成功第一顆同位素電池，就突破了同位素發電的主要技術難點，如果要做大功率的，只需相應地增加核燃料鈽238的使用量。在未來的中國深空探測計劃中，核電池會發揮更大的作用。在深空中，飛船能依靠的只有太陽能與核能。而且，隨著飛船距離太陽越來越遠，所受陽光照射越是微弱，太陽能電池板的發電能力就越低，就更需要應用核電源。以保證飛行器的能量供應，核電池不僅不受光照影響，而且對其他惡劣的外部環境，比如真空、極冷、極熱、宇宙輻射等均不受影響。此外核電源壽命長，性能可靠，能提供較大的功率。優點很多，應用前景廣闊。