为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池？

2020年7月23日，中国第二个火星探测器“天问一号”成功发射升空，如果一切正常，预计于2021年2月份抵达火星。

美国几十年前就开始探测火星了，2012年8月，NASA的好奇号火星车成功登陆火星，这虽然是美国的第4台火星车，但它却是世界上第1辆采用核动力驱动的火星车。

上图为好奇号火星车。

我国的嫦娥4号月球探测器就使用了中俄联合研制的核电池，这也是我国的航天器首次使用核电池。

老美的技术比较先进，在1961年就为人造卫星用上核电池了。而发射于1977年的旅行者1号探测器也使用了核电池，所以能够持续工作几十年，预计到2025年才会失去电力。

天问1号火星探测器虽然也搭载了一辆火星车，但是还是使用的太阳能电池供电。为什么我国不为火星车装上核燃料电池？

什么是核电池，有什么优点？

核电池，简单来说就是将核能转换为电能的装置。世界上最早的核电池是美国于上世纪50年代研发出来的。除了一些航天器，心脏起搏器中也采用了这种电池。最小的核电池仅比硬币大些。

上图就是微型核电池，这一类小型核电池可以为心脏起搏器供电。

通常有三种方式可以产生核能，分别是核聚变、核裂变和核衰变。核聚变还在研究当中。核裂变已经用于发电，核潜艇中就用的是小型核裂变反应堆，不过要想装到航天器上，技术上还达不到。

上图为核动力潜艇。

核衰变就是放射性元素的衰变，通常包括阿尔法衰变、贝塔衰变和伽马衰变，在衰变过程中能够释放出能量，不过能量没有核聚变和核裂变那么强。

上图为放射性元素的三种放射性衰变。

核电池又叫做放射性同位素发电装置，种类非常多，应用较广泛的是温差式核电池和热机转换核电池。其中，温差式核电池通常被用于航天器，它利用具有热电效应的材料将核衰变过程中释放出的能量（热能）转化为电能，然后供航天器使用。

上图为NASA的放射性同位素温差发电装置的主要结构，中心的核燃料棒就是二氧化钚。

不过，并非所有具有放射性的元素都能当核电池材料。必须要达到一定功率，才能供航天器使用。目前，国际上普遍使用的是钚-238这种人造放射性核素，它的半衰期在87.7年，利用的是阿尔法衰变过程中释放的能量。嫦娥4号和好奇号就采用的是这种电池。

上图为钚-238 核燃料棒。

核电池具有结构简单、可靠性高、能量密度大、寿命长等优点，几乎不会受周围环境的影响，可以在很恶劣的环境下稳定地输出电力。

为什么天问1号不使用核电池？

航天器的主要能源就是太阳能和核能。之所以要在探测器中使用核电池，是因为离太阳越远，太阳能电池所能提供的电力就越弱。在火星轨道所能接受到的太阳辐射仅为地球轨道的40%。在火星上，你看到的太阳不仅更小，而且亮度也更弱。

上图就是火星上拍到的太阳，阳光比地球上弱很多。

而且在某些探测任务过程中还会经历黑夜等问题，为了保证探测任务正常进行，以及探测器内的设备不被低温损毁，必须持续而稳定地为探测器上的设备供电，因此有时必须使用核电池。不过，使用了核电池的探测器，也会使用太阳能电池，两者互为补充。

首先，我国的第1块核电池虽然诞生于1971年，不过我国的核电池技术并不成熟，制造的核电池转化率太低。嫦娥4号使用的核电池功率仅3瓦多，并且转化率不到1‰；而好奇号使用的核电池的功率达到了110瓦，转化率达到了4.3‰。要想达到同样的输出功率，以我国目前的技术，需要塞更多的核燃料，这意味着探测器的总重量会增加，这会加大发射难度。

其次，核电池中使用的材料具有放射性，对火箭发射系统的安全性和稳定性的要求也更高。我国是首次自主发射火星探测器，万一发射过程中出现问题，会产生很大的安全风险。美国之前就发生过类似的事件，导致-238被释放到大气中。

钚

此外，钚-238由于是人造核素，生产成本极高，并且产量也有限，不能随便乱用。天问一号不仅是我国首个行星探测任务，也是第1个火星探测任务，预期寿命只有三个月，具有一定的试验性质，所以要谨慎。而且天问1号本身携带的探测仪器并不多，只需用太阳能便可以满足基本要求。科研也是有预算的，钱不能随便乱花，要用在刀刃上。

上图为天问1号火星车。

搞科研，不能盲进，步子跨大了，容易出问题。美国在此前的火星探测任务中，也没有率先使用核燃料电池，就是综合考量的结果。

可以肯定，我国在未来的火星探测任务中，如果火星车需要长距离、长时间运行，并且携带了较多的科研仪器，肯定会使用核燃料电池，不然光靠太阳能是满足不了需求的。

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