网上一直有人在吐槽，中国火星车用太阳能而不用核能，说明中国在技术上与美国有巨大差距。真是这样吗？我看未必。我比较关注的是，为什么中国能生产出不用同位素热源的火星车，它是怎么解决保暖问题的呢？下面给大家分析一下这两个问题。我是东城观星，欢迎新老朋友持续关注。
一、用核电池就先进，用太阳能就落后吗？
首先简单介绍一下核电池。用核能就说明航天技术先进，用太阳能就说明航天技术落后吗？绝对不是！早在1975年，美国的火星探测器海盗一号和海盗二号着陆器，就已经用上了核电池。当时的核电池功率已经达到42.5瓦，两台一共可以达到85瓦。
但是美国后来的着陆器并没有一直延续使用核电池。1996年发射的探路者号火星车，以及2003年发射的勇气号和机遇号火星车均使用太阳能驱动。大家绝对不应该说，美国后发的三个火星车，还不如二三十年前的着陆器先进吧？
1.核电池的贵限制了我的想象力
用不用核电池，不是技术是否先进的标志，需要多方面综合考虑，尤其是任务需要和成本核算。如果你能用太阳能电池板完全替代核电池，那绝对是技术进步而不是技术落后。因为从成本上来说，太阳能电池板绝对比核电池便宜太多了。
据网络数据，一公斤钚238大概得900万美元甚至更高，美国的好奇号和毅力号均使用了4.8公斤二氧化钚238，仅燃料成本就是四千多万美元，折合人民币两个多亿啊。这些钱如果用来买太阳能电池板得买多少啊？这只是燃料成本，还没有包括电池其他组件的成本，以及电池设计生产成本。别拿国家的钱不当钱，省出两个亿来能多干多少有意义的事啊。
2.用不用核电池，关键还得看任务需求
从任务需要上来说，用核电池最大的优势是可以夜间工作。比如我国的嫦娥三号和玉兔一号都没有使用核电池，因为它们不打算晚上工作，就想好好休息，没必要使用核电池。而嫦娥四号则需要在晚上监控环境温度，考虑到月球的夜晚有半个月那么长的时间，温度又达到零下一百八十多度，一般的蓄电池是满足不了要求的。所以嫦娥四号用上了嫦娥三号没有使用的核电池，但是由于夜晚大多数设备不需要工作，也就没有使用大功率的核电池。
并不是说嫦娥三号不能用核电池，也不是说嫦娥四号不能用大功率的核电池，只是没有必要用，大家能理解吗？由于可以在夜间、冬季和沙尘暴天气正常稳定工作，携带核电池的火星探测器可以更稳定地完成指定任务，不受天气的影响。这次美国毅力号火星车使用核电池，是可以在夜晚工作的。但毅力号携带的火星直升机却没有使用核电池，依然使用太阳能电池。
3.火星上的太阳能电池板，还得考虑伸展姿势
当然，换用核电池的另外一大优势，就是行动更加灵活。太阳能电池板虽好，但放到火星上却需要考虑很多问题。比如火星上太阳光比较弱，太阳能电池板的功率会偏低，要想满足要求必须得把太阳能板放大，但放大的太阳能板又会影响火星车的行动和平衡，必须科学设计。
比如我国的祝融号火星车，为了让太阳能电池板符合要求，排除了很多设计方案，最终选定了类似蝴蝶翅膀的方案。大家可能觉得纯粹是为了好看，或者换成其他样子也可以。那你就把问题想简单了。在太阳能板必须足够大的情况下，应该往两边延长还是往前后延长呢？
往两边延长，被障碍物碰撞和卡住的几率会增加，暴风来的时候被吹坏的概率也会增加。往前延长会挡住视线，影响探测，往后延长，会在走斜坡时托底。现在的蝴蝶翅膀方案是经过多轮论证的最佳方案。但一旦风暴来了，太阳能电池板依然是个累赘，必须做好防护。相应地，使用核电池的火星探测器就不需要担心这些问题了。
4.核电池的缺点也不少
但必须指出，核电池的缺点也不小，除了成本高以外，潜在核污染、重量太高也是不可忽略的。钚238是个短寿命的放射性同位素，半衰期只有87.7年，半衰期越短环境危害越大，除了美国使用的钚238以外，还有很多更短寿命的放射性同位素可以设计成核电池。携带核电池的探测器一旦在发射的过程中出现失误掉下来，必然会给坠毁地点带来严重的核污染。而且这种坠毁也确实曾经发生过。
重量高也是不容忽略的因素，毅力号的核电池一共45公斤重，放到一吨重的毅力号上，不算是太大的负担，但是如果放到240公斤的祝融号火星车上，恐怕就不那么轻松了吧。增加四十多公斤重量，整个天问一号的设计都需要改变，着陆器需要携带更多的燃料，环绕器得适当减少重量，长征五号还需要增加运载能力，这显然是很不现实的。此外45公斤重的核电池直径64厘米，高66厘米，这么大个东西怎样装进祝融号的机箱里也是个问题。这里面涉及的工程技术问题太多，可不是一句“核电池，它不香吗？”能解决的。
二、中国真没有能力研发核电池吗？
当然，网上有很多键盘大侠会说，承认一句技术不如美国就那么难吗？确实，我国在很多科技领域都跟美国有差距，航天领域虽然各有优势，但总体上美国还是领先很多的。可是，并不能简单地归纳一句中国没有能力生产核电池。核电池的工作原理连我都知道，国内核技术专家更没有问题，如果说中国无法生产核电池，就太小看中国的专业技术人员了。没有生产，和没有能力生产是完全不一样的概念。
有的时候，我特别想说一句，中国人要自信，不要总是看着外国的月亮圆了。我国没有在太空应用过大功率核电池，并不代表我国没有能力研发出大功率核电池来。这个放射性同位素核电池的工作原理并不复杂，就是利用钚238发生α衰变释放能量，这个过程中产生热量，然后把这些热量通过一个温差发电器转变成电能。
温差发电器是利用半导体元器件组装成换能器，把热能变成电能。这些半导体材料，国内都可以生产，核电池组装原理也已经不是什么秘密，我国已经研发出了核电池并应用到了嫦娥四号上。大功率核电池最大的困难，无外乎是核燃料的生产问题，和核电池的发电效率问题。这两个问题都是可以通过大量经费投入得到妥善解决的。如果国内下定决心研发大功率核电池，绝对可以在下一次火星探测前研发出能用的大功率核电池出来，发电效率也一定能得到提高。所以不要在这件事情上太过悲观。
三、祝融号火星车的独家秘诀
1.同位素热源几乎是深空探测器必备的
祝融号火星车为什么敢不用同位素热源呢？怎样解决保暖问题呀？不管是月球还是火星，夜晚都是非常冷的，如果不做好保暖，就很可能被冻坏的。比如我国的两个月球车玉兔一号和玉兔二号，都用同位素热源来进行夜晚取暖。美国的火星车也全都采用了同位素热源来取暖。比如探路者号火星车上，一口气用了157台同位素热源设备，给电子器件加热。机遇号和勇气号，也用了8台同位素热源设备。
使用核电池的火星车，核电池同时也可以充当同位素热源的作用。因为核电池首先是一个同位素热源，只不过增加了一些温差发电装置而已。核电池的发电效率目前连百分之十都不到，余热完全能够利用起来进行供暖。比如我国嫦娥四号的核电池，废热的利用率达到了65%。
2.祝融号偏偏不用同位素热源，黑科技爆棚
很神奇的是，中国的祝融号火星车夜间保暖居然不用同位素热源。这主要归功于技术的进步和特殊的工作条件。
先说说技术问题，祝融号火星车为了解决夜间保暖问题还是应用了很多先进技术的。首先，在内部结构设计和设备布局上都是精心考虑的。有些设备是短期工作设备，不需要长期保暖，可以把它们放在冷仓里，节省热量。而那些需要长期工作的设备，则需要做好保暖工作。把它们放在特制的热仓里，采用先进的保暖技术，以保障他们安全度过一个个寒冷的夜晚。
热仓，也不是简单地利用电池蓄能供热，而是采用了多重保温技术。比如采用气凝胶保温材料防止热量散失，同时控制设备间距，抑制空气的自然对流，实现气体保温隔热。必须说一句，这里提到的气凝胶材料，是一种超轻超保温的新材料。不仅应用到航空航天领域，也开始在民用生活领域得到广泛应用了，比如我们冬天保暖用的棉服。
而气体保温也是祝融号的秘诀之一，如果没有气体，设备就得靠辐射或者其他导热材料来输送热量，要么效率低，要么重量太重。而气体就可以非常好地起到保温的作用，美国的机智号火星直升机也自豪地宣称使用气体保温技术。当然，气体一定得做好密封，否则就把热量泄露到外面去了。
做好保温的同时，还要做好采暖和蓄热。采暖通过集热窗技术，在白天太阳光充足的时候直接把太阳能变成热能，并把这些热能储存起来。
而蓄能则通过特殊相变材料完成，白天采集的热能存储到蓄能材料里面。这种蓄能材料被加热的时候会熔化，吸收了能量但温度升高不多，防止白天热仓的温度过高。到了晚上，这种材料开始释放热量，当热仓温度低于凝固点的时候，相变材料开始凝固，继续释放热量，用一晚上的时间缓慢释放储存的能量，从而达到恒温保暖的效果。
这个材料的原理，就利用了我们的一个生活常识。俗话说下雪不冷，化雪冷。下雪的时候涉及到雨水变雪和水结冰的过程，有一定的放热，并不太冷，但化雪的时候就需要从环境中吸热了，这时候会感觉很冷。类似的，刚洗完澡，水分蒸发会吸收热量，身上就会感觉冷。还有生病发烧的时候，可以在身上涂一些酒精进行物理降温。这些都是相变能的现实应用。
通过应用这种相变能，可以让热仓的温度持久保温，同时温度波动幅度不大，很接近恒温了。我国科学家把这个原理用到了祝融号火星车上，就可以替代同位素热源。这样的方案会更省钱，也有十足的科技感吗，不是吗？
3.可怜的玉兔号为啥没用上这技术呢？
那为什么玉兔号月球车就不用这个技术呢？因为月球上的夜晚时间太长了，长达半个月的时间，不仅相变材料保温维持不了这么长的时间，就算加上蓄电池供暖也很难保证度过月球的漫漫长夜。同位素热源不论白天黑夜刮风下雨都可以不停地放热，可以长时间提供稳定的热能，用来帮助月球车度过夜晚再恰当不过了。想想看，为什么地球内部晒不到太阳，温度还那么高，又有大量岩浆呢？其实也是放射性同位素热源在起作用。
怎么样，看到这里，你还觉得祝融号火星车不使用核电池是因为技术不行吗？
四、核电池的致命伤，替代方案是什么？
美国的核电池使用寿命虽然很长，但是它还有一个无法回避的问题，就是能量衰减。跟利用核裂变能的核电站可以随时关闭反应不同。由于放射性同位素的衰变是个恒久的自然规律，人类现在的技术水平根本做不到用的时候打开，不用的时候关闭核衰变。不管你用不用它，核衰变永远存在，而且对于一块核电池来说，其同位素都是开始的时候衰变快，越到后来衰变越慢，因为剩下的燃料会越来越少。
表现在发电上，就是功率会越来越小，过几年就无法带动所有的载荷工作了。时间再长一些甚至连行走的动力都无法提供了。此外，如果核电池放着不用，过个几年再用，跟用了几年的效果是一样的，不会因为你放着它，它就是新的。所以未来的外星系探测很可能不再用这种核电池，换成使用核裂变或核聚变来发电，因为那是可控而持久的，能让飞船飞得更远，也可以让探测器寿命更长。
另外，由于现在的太阳能电池板技术越来越高，发电效率也不断提高，同时质量还越来越小，还可以折叠收拢，比如我国空间站使用的太阳能电池板就是超轻可折叠的。我有一个设想，这种超轻可折叠太阳能电池板，可不可以给未来的核电池火星车上做个能源备份呢？
前期核电池能量足的时候，用核电池提供能量，太阳能板收起来。后期核电池电量不足的时候，太阳能板做补充。最后完全用太阳能板替代核电池进行供电，核电池则变成同位素热源只起到保暖的作用。遇到沙尘暴，太阳能板收起来，关闭大多数设备，留下必要设备让核电池供电。这样的话，就可以用比钚238能量密度高、热功率也高的核材料了，也就是可以生产体型小重量轻的核电池，应用到小型的探测器上。
现在来说，我个人也是非常希望国产的大功率核电池能尽快投入使用。您觉得我国在多少年以后会发射完全使用核电池的星球车呢？请在评论区留下你的预言！
今天的介绍就到这里，还没关注的朋友别忘了关注东城观星，定期给大家介绍有硬核知识的科普内容。
