原位气体热电转化：助力未来火星探索的可持续能源生产

近日，中国科学技术大学舒歌群教授课题组在Science Bulletin发表文章，该工作首次揭示了火星原位气体具有出色的热电转化性能，并报道了其在火星独特环境条件下的工作模式，为未来火星探测任务能源系统设计开辟新视角。

研究亮点

1. 原位气体资源利用提高了对热电系统活动部件在极端服役环境下潜在泄露的容忍度；

2. 相比氦氙稀有气体路线，大分子、高定压比热和热稳定的原位气体能够实现更高的转化效率和功率密度；

3. 适应火星昼夜温差、气体成分季节性迁移和沙尘气候环境，结合原位气体化学特性和冷却热回收可实现火星热-电-氧一体化供应。

研究背景

Science将“如何在火星上进行生产制造”列为全球最前沿125个科学问题之一，强调实现原位资源利用和解决能源供应问题是其中的关键挑战。根据2023年NASA白皮书报告，未来火星近地探索的电能规模将达到兆瓦级，空间微型核反应堆热电技术因高效率、高功率和长续航特征极具应用潜力，一直是全球航天强国的研究热点。工作介质是动态热电转换中的能量载体，活动部件内的非原生工作介质在极端服役环境具有潜在的泄漏问题。

火星大气由CO2、N2和Ar等成分组成，其中CO2占比高达95%以上。为了探索独立于地球资源可持续能源供应路线，该工作提出利用火星原位气体进行热电转化的火星能源系统新概念，探索在火星独特环境下的适宜的工作模式，通过理论计算预测了其热电转化性能、火星极端环境(昼夜温差、气体成分迁移和沙尘气候)适应性和技术竞争潜力，为未来火星探测任务能源系统设计开辟新视角。图文导读

图1. 火星原位气体驱动的热电转化系统概念

火星气体作为工作介质是动态热电转换一个前所未有的概念，需要在独特工质热物理性质、火星独特的散热环境和空间能源系统尺寸限制等背景下探索热电转化模式。

(a) 微型反应堆加热高压的火星气体来驱动涡轮机进行发电，冷却后的火星气体随后被压缩并预热完成发电循环，原位气体收集器将火星原生气体注入系统，实现工作介质的自给自足确保电力系统的可持续运行；(b) 火星气体具有分子质量大、高温性质稳定和定压比热高，热电转化过程单位体积输出功率高，黏度小流动性能出色；(c) 闭式亚临界循环是火星气体最适合的工作模式，一方面，在火星以辐射散热为主的条件下，更高的冷端温度有助于提高功率密度减少散热器面积；另一方面，亚临界循环操作压力较低同时避免微重力气液分离问题；此外将气体从稀薄气体状态压缩到高压工作状态也需要很高的单位能量。

图2. 火星原位气体驱动的热电转换性能预测与前景评估

高功率密度和高效率是空间热电转换的重要目标。该文开发了一个火星气体的热力学模型来预测关键参数主动设计下的理论热电转换性能，明确功率密度和效率的协同优化路径。随后与目前广泛研究的氦氙稀有气体动态热电转化、太阳能光伏阵列和热电材料技术进行了比较，探索其技术竞争力和适应的火星探索任务场景。

(a)分析了设计冷端温度对发电效率、功率密度和散热器比面积的影响，重点建立合理的冷端温度指标区间；(b) 提高热端温度可以显著减少热交换部件的总质量并提高效率，系统重量先降低后逐渐趋于稳定；(c) 火星气体成分季节性迁移对热电转换功率输出和效率的影响较小。(d) 在空间核反应堆二级回路所涵盖的温度范围下，火星原位气体理论上能够实现比稀有气体更高的效率和功率密度；(e) 通过对比已有空间热电转换项目的性能，火星原位气体热电转换具有效率与功率密度优势。(f)通过与太阳能电池和热电材料在不同功率场景下的发射质量比较，高效的原位气体热电转化在面向100 kW量级的载人探索任务中表现出显著的轻量化优势。