为什么中国的火星车不像“好奇号”一样采用核电池？

开头一句话，我国的核电池不行。

核电池的种类很多，不过目前用于航天用核电池都是温差式样核电池，使用钚作为放射同样素。

我们国家很早以前就开始研究核电池，但是由于我们缺钚，所以使用钋作为放射源，转化效率差很多。

钚使用的α源射线，钋使用的β射线。

由于一开始我们使用的是钋元素作为核电池的放射元素，所以我们在钚元素核电池的研究上有所落后，目前还没有研究出高转化效率的钚元素核电池。

自然界中不存在钚元素，要铀吸收中子转化而来，俄罗斯与美国都有专业的钚生产工厂，但是产量非常的低，一年大概只能生产1.5公斤。

你们可以想一下一年只能生产1.5公斤的钚是什么概念，制造一块使用寿命10年的核电池需要使用150克钚238，由此美国一年的钚产量也只能够做10块寿命为10年的核电池。

如果做大功率的核电池，那么美国一年钚的产量也不够做一块，大功率的核电池需要使用5千克的钚238。

在此你就可以知道核电池的价格有多贵，为什么当初我国严格核电池的时候不是用钚，原因就是我们国家当初太穷，根本拿不出这么多经费去生产钚，以及研究核电池。

美国毅力号上的核电池使用了4.8千克的钚，设计寿命为14年，放电功率110瓦，核电池造价7000万美元。

登火星的祝融号不是用核电池，除了核电池技术是一个因素之外，还有就是我国航天器的发射载重不足。

中国祝融号的总重只有240千克，而美国的好奇号是重量超过1000千克。

为什么要比较这两个数据？

因为好奇号里的核电池重量达到了45千克，这个重量已经达到了我国祝融号总重的六分之一。假如在祝融号里装上45千克的核电池，那么祝融号就没有太多的载重来装其他的仪器，如此一来就需要减少很多科学仪器。

在这个问题上，也可以看出，我国不但核电池技术需要努力，火箭发射载重也需要努力，要是我们有大载重火箭的话，早在10年前，我们就已经登录火星了。

当初我们没有大载重的火箭，所以火星探测器只能搭俄罗斯的火箭去火星，但是俄罗斯的火箭不靠谱，竟然发射失败，让我们登录火星整整推迟了10年。

为什么中国的火星车不像“好奇号”一样采用核电池？

核电池因为长寿命、结构紧凑、稳定性好、兼具保温、不依赖阳光等优点，更适合于长时间、连续、长机动距离的地面探测任务或深空探索任务，同时也是深空探索的趋势。

其实，中国在嫦娥4号探月任务中，就首次使用了同位素温差电池，这也是我国首个在航天器上成功应用的同位素电源，也就是你所说的核电池。（当然嫦娥3号也使用了同位素热源，但主要是用来抵抗月亮-180℃的低温）。

我们知道，核反应主要有3种，核聚变、核裂变、核衰变，嫦娥4号与美国的“好奇号”所使用的同位素温差电池利用的就是放射性锕系材料（钚238）的核衰变能量。

那有人就说了：既然有核衰变电池，那是不是有核裂变电池、核聚变电池？核裂变是有的，比如很厉害的KiloPower。这也是未来建立月球基地、火星基地在能源方面的明星方案，主要提供千瓦级以上的功率，这个以后再单独讲吧，核聚变电池，闹呢！核聚变都还没搞成呢！

就核衰变能量的利用方式的不同，核衰变电池又可分为热电式、辐射伏特效应式、压电式、闪烁中间体式。具体来讲，这些分类就是对核衰变产生的子核动能（热量）、阿尔法粒子、贝塔粒子以及伽马光子的利用来分类的。

同位素温差电池利用的就是核衰变产生的子核动能（热量），利用温差电材料的热电效应将热变为电，这是最近40年主流的核电池技术，又被称为放射性同位素热电电池（radioisotope thermoelectric generator，RTG），是静态的发电装置，具有结构紧凑、可靠性高、生存力强、质量比能量高、寿命长等特点。

利用阿尔法衰变材料作为热源的同位素温差电池通常使用钚-238（二氧化钚-238），（钚-238是一种人工核素，其化学性质有剧毒，其半衰期为87.7年，很适合用于深空探索，理论上，每千克钚238自然衰变可产生568瓦的热量，如果其热量全部转化为电能，还是非常可观的，但受制于材料的纯度、热电转换的技术等因素，实际效率通常不超过6%。第一个钚源于1959年在坟堆（Mound）实验室被制备出来，这个实验室位于美国俄亥俄州迈阿密斯堡，是美国原子能委员会(后来成为能源部)在冷战期间进行核武器研究的机构。

利用贝塔（β）衰变材料作为热源的同位素温差电池通常使用镍63、锶90、钇90等核素，它们主要发射贝塔粒子，其发电量相对较小，常用于微机电系统的电源。

我们先来看看嫦娥4号身上的同位素温差电池到底是个什么水平？

根据相关资料，嫦娥4号使用的这块电池重7千克，功率3.2~3.5W，这是个什么概念呢？这就和你夏天所用的手持小电扇功率差不多。如此小的电功率无法支撑起其科学载荷的用电需求（主要用这点电测了一下月夜的最低温）。作为对比，好奇号的核电池重45千克，功率为110W。

根据前面的钚238的理论产热数据：

嫦娥4号的这块电池，其热电转换率仅为万分之8.8。

好奇号的核电池，其热电转换率为千分之4.3。也就是说其效率提高了近50倍。

当然这个数据只是一个参考值，因为电池的重量不代表电池电芯中钚238的重量，所以实际的能量转换率肯定比这个要大，但这一数据也反映了综合的工艺技术，差距还是很大的，因为电池核心的材料都是钚238，差距的关键就是温差发电模块的差距了。

短时间内我国的同位素温差电池还处于研制试应用阶段，其功率还达不到实际应用的水平。

月球上的昼夜温差能达到300度，最低温度约零下180度，火星昼夜温差在120度，最低温度通常在零下85度，因为我国研制的同位素温差电池已在月球上进行了验证，而月球上昼夜温差相比于火星更加严苛，所以再大老远的把电池运到火星上测试就显得没那么必要了。

虽然太阳能电池的功率质量比以及使用寿命现阶段与同位素温差电池差距不大，但其巨大的占用面积是其最大的短板，这在一定程度上影响了科学载荷的配置和使用的灵活性以及整车的机动性。

任务的设计机动性和机动距离一种程度上决定了供电方式：

“好奇”号于2012年8月5号登陆，于2016年9月24号结束扩展任务，设计任务时长超过4年，在火星上执行任务的距离为13.93公里，虽然好奇号的整车质量达到了899千克，属于重型科研平台，但其平均时速达到了9米/每火星天，是跑得最远的机遇号（约43公里）时速的3倍，机动性显然更强。

而在2018年5月发射的洞察号，因为其是作为一个固定的着陆器研究火星核心、地幔和地壳等内部要素的演化，不需要进行机动，说白了就是落地就安家的那种，所以它并没有配备同时期使用率很高的同位素温差电池。

而天问一号火星车作为首次降落火星执行地面探测任务的设备，执行任务的时长较短，计划于2021年4月23日降落火星，并进行为期3个月的探索，从保守的角度讲，虽然并没有任务设计机动距离的相关数据，但结合嫦娥系列任务的机动距离数据（玉兔二号行驶了463.26米）和火星车的实车结构来看，显然它也并不需要做很长距离的机动。

任务的用电需求也一定程度上与电池相互制约：

好奇号全车重量达到899公斤，与NASA此前登陆火星的机遇号和勇气号相比明显个头更大，携带了更多更为先进的科学载荷（共10套），包括了多种使用激光进行工作的大功率耗电设备，其核电池一个火星天可以连续充电提供2.8度电。是使用太阳能电池板供电的机遇号和勇气号的大约3倍。直到今天仍然在火星上工作，实际供电超过了8年。根据NASA的数据，好奇号火星车在执行任务的第5年，仍然未见明显的能量衰减。

这是一个相互制约的关系，当然还是以科研任务为主线，天问1号火星车全车重240公斤，携带6种科学载荷，且多为各种相机和被动分析设备，能耗不高，所以可以采用太阳能电池板供电。

就像本文一开始所说的那样， 核电池的优点显而易见，它稳定紧凑，不受阳光的影响，可以连续供电，适合于深空探索，中国的核电池能源这块也是与中国航天事业的发展同步的，现在我们有了行星探测计划，有计划就有需求，才会推动发展，相信随着中国深空探索任务的不断增多，中国在核电池领域将会快速前进。

为什么中国的火星车不像“好奇号”一样采用核电池？

应该是降低风险，减少不可控因素吧

从技术难度上讲，我国给火星车配备核电池问题不大，毕竟核电池诞生已经超过60多年了，我国之前的嫦娥四号和玉兔二号就已经采用核电池技术。而且即使有困难，在这领域还有个帮手，那就是俄罗斯。老毛子是玩核电池是个行家，现在核电池最主要燃料钚-238大多是俄罗斯生产的，纯度高，价格便宜，美国之前新视野号探测器的钚-238也是从俄罗斯那里买的。

从携带能力上看，问题也不大。我国计划的火星车设计重量是200公斤，虽然远不如好奇号的899公斤，但是已经比玉兔二号的135公斤重了不少。既然玉兔二号能带，火星车也没理由不能带。

好奇号火星车

所以跟重要的原因还是为了降低技术风险把，核电池虽然难度不大，但是整套系统还是蛮复杂的，石墨壳包裹放射性原料，再经热-电转化装置转换成电能，收集的电能再储存在锂蓄电池里。这样一套系统在着陆时还要承受巨大冲击力考验，对于第一次进行火星探测和着陆的国家来说，还是有相当风险的。特别是今年以来，我国长征系列运载火箭罕见的出现连续两次发射失败情况，充分说明我们自身还有很大不足，绝对不能自大冒进。

美国的好奇号火星车，已经是美国第三代火星车了。虽然美国早在阿波罗登月的时代就开始在航天领域应用核电池，但是其1997年的火星探路者号和2004年的精神号，都没有采用核电池，还是太阳能电池板，人家也是积累足够经验后再加以应用的。这方面不要学印度，最后反而丢脸丢大了。

NASA的三代火星车，从小到大分别是火星探路者号、精神号和好奇号

并且好奇号和玉兔二号之所以带核电池，都有其特殊情况，不得不需要核电池。好奇号因为很大，其携带科学仪器又很多，所以耗电量大，太阳能电池板远远无法满足工作需要。月球因为没有大气，月夜温度达到零下180℃且时间长达13天，探测设备没有保温的话会损坏。相比较下，火星因为有大气，夜晚温度约零下80℃，自转时间只比地球多37分钟，所以可以不需要。

为什么中国的火星车不像“好奇号”一样采用核电池？

说白了中美还是有一些技术差距，这些东西没必要遮遮掩掩，毕竟每一项技术的突破都需要时间，现在中国已经很努力了。相比于广泛使用的太阳能电池，核电池具有使用时间长、功率大以及不受阳光强弱影响等优势。所以，只要能完全掌握核电池技术，没有哪个国家不喜欢。

很多人理解的核电池就是小型化的核反应堆，无非就是把核动力航母或者核电站的反应堆做到微型化而已。

其实，这是非常错误的。

核电池本名叫“放射性同位素热电发生器”，英文名称“radioisotope thermoelectric generator”，因此它有一个简称“RTG”，就是下图中左下角的突起。

从这个名字我们可以大致理解：“核电池”实际上是利用了放射性同位素在衰变过程中产生热能，再利用热能进行发电的一种设备。

它与我们传统意义上的核电站发电实际是两回事（核电站发电是利用了链式反应）。具体原理如下图所示：

优势一：寿命长

核电池由于采用了放射性同位素，这使得它的工作年限可以非常漫长，这方面可以参考一下美国的核动力航母，电能可以取之不尽用之不竭，理论上可以永久服役。

优势二：功率高

核电池的输出功率远比太阳能板和一般的化学电池高，如果月球探测器或者火星探测器的仪器设备比较多，同时又不能重量、体积太大，那么就必须使用核电池才能达到功率要求。

优势三：不受光照影响

这一点是核电池的最重要优势。现在大多数太空探测器使用的都是太阳能电池，它的特点是只要有阳光就能发电，但这也是它的缺陷，一旦火星或者月球到了太阳的背面，那么火星车或者月球车就不能再工作了，科学探测就得因为断电而停止，这方面可以参考一下咱们的玉兔号工作状态。

其实，美国的探测器不止“好奇号”使用了核电池。

1961年，美国首次将核电池应用于人造卫星。

1977年，NASA发射了两个携带核电池的姊妹探测器：旅行者1号和旅行者2号。截止到今天，距地球160亿公里的旅行者号仍在向宇宙更深处探索。

2012年，登陆火星的好奇号使用了核电池。

原因一：技术差距

正如我开头所讲，中国在核电池的应用方面确实与美国存在差距，尤其是这种对安全稳定性和可靠性极度敏感的产品，如果在没有完全掌握其生产技术的情况下使用，一旦故障则后患无穷。

原因二：安全隐患

另一方面，就是我们刚刚讲的安全问题，不仅中国没有完全吃透这些技术，其他国家同样如此。

而且，即使是已经在上世纪就熟练应用核电池技术的美国，也在使用过程中发生了不少意外，导致他们现在的探测器仍然优先使用太阳板。

例如，1964年，美国的一枚导航卫星运载火箭失灵，导致卫星上的钚核电池爆炸，所释放的放射性物质散落全球，遭到所有国家的谴责。

1968年，美国一枚脱离轨道的天气卫星坠落太平洋，幸好联邦调查人员将这颗卫星完整回收，不然对海洋的污染不可避免。

1997年，美国太空总署准备发射“卡西尼”号土星探测器时，便有数百名示威者在场抗议，他们担心核电池破裂导致普通民众患上癌症。

原因三：核电池成本高

美国NASA核电池系统所用的“燃料”（即放射性物质）为钚-238的氧化物，而钚-238这种燃料非常昂贵。80年代美国造了一批专门给空间探测器用一直用到现在，去年重启生产线一年不过生产了50克而已，而未来一辆火星车至少需要4千克。

下图为钚元素。

所以，在没有必要的情况下，美国的探测器出于成本考虑也不会使用核电池，中国和其他国家的探测器也同样是这个道理。

太空中既没有充电站，也没有那么长的充电线可以从地球获取电力。所以，高效、灵活而持久的电力系统一直是太空旅行的研究热点。

而太阳能面板受制于太阳光的限制，使得探测器只能间歇式工作。

当太阳无法提供免费午餐的时候，太空飞行器们就只能自带“盒饭”，而核电池正是一份性能优异的“盒饭”。

下图为咱们的玉兔号月球车。

所以，在解决了核电池成本以及安全性的不久将来，包括咱们中国在内的所有国家的探测器上必然也会使用核电池。

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为什么中国的火星车不像“好奇号”一样采用核电池？

中国的火星车没有使用好奇号那样的核电池，就有人出来直接开喷了：中国没有核电池这种高科技的技术，搞不定，所以才没有使用！

其实，早在1971年3月12日中国首个核电池就诞生在中科院上海原子核所里，它以钋210为燃料，输出电功率为1.4瓦，热功率35.5瓦，并进行了模拟太空应用的地面试验。经过几十年的发展，中国一完全掌握并能制造该项技术的产物。前些年，我国的嫦娥探测器就已经搭载并使用了核电池。

核电池提供的电力持久，不管白天黑夜都能提供电力，看起来比太阳能板技术好多了，为什么中国目前公布的首辆火星车并没有搭载核电池呢？要知道，美国早在1951年就制造出了世界上第一块核电池，而2000年后美国的机遇号和勇气号也还都使用的是太阳能供电，并没有使用核电池。可见，核电池虽好，肯定也有它的弊端，使不使用得综合考虑。

当放射性物质衰变时，会释放出热量，经过温差热电转换器的作用，最终形成电流。通常不稳定(即具有放射性)的原子核会发生衰变现象，在放射出粒子及能量后可变得较为稳定。核电池正是利用放射性物质衰变会释放出能量的原理所制成的。

一般的核电池在外形上与普通干电池相似，呈圆柱形。在圆柱的中心密封有放射性同位素源，其外面是热离子转换器或热电偶式的换能器。换能器的外层为防辐射的屏蔽层，最外面一层是金属筒外壳。

优点：

核电池在衰变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场等的影响。

核电池提供电能的同位素工作时间非常长，甚至可能达到5000年。

缺点：

有放射性污染，必须妥善防护；而且一旦电池装成后，不管是否使用，随着放射性源的衰变，电性能都要衰降。

上面有介绍核电池的优缺点，首辆火星探测车不使用核电池的原因之一肯定就是考虑到核电池的缺点，有放射性。放射性这东西真可不是闹着玩的，切尔诺贝利核电站、福岛核电站里的放射性物质泄露，到现在都不能随意进入泄露范围，这可是很容易导致人死亡的。

而火星探测器前往火星，必须要通过火箭发射进入太空。万一火箭阴故障坠毁，会连带探测车一起坠毁在地球上，势必导致核电池遭到破坏之后里面的放射性物质泄露。这也是明明核电池技术都已经很成熟的情况下，各国的卫星、探测器几乎都还是使用太阳能供电不使用核电池的原因之一。

钱钱钱，命相连。一种技术再好、再成熟，只要价格贵了，那我肯定会选择能够代替你且价格相对便宜的技术。

好奇号为什么使用核电池呢？因为好奇号本身带了相当多的设备，在工作的时候需要超大的电力支持。如果只使用太阳能供电的话，那就需要很大面积的太阳能板了。这对太空探索苛刻的重量和体积控制来说是致命的，于是干脆使用核电池。

而中国目前公布的火星车任务主要是探测火星的形貌、土壤、环境、大气，研究火星上的水冰分布、物理场和内部结构。从结构上来看，和好奇号那种几乎全身都是设备的结构对比，中国的火星车相对简单多了。所以不需要大电力支持，太阳能板足以，就没必要使用昂贵的核电池了。

为什么中国的火星车不像“好奇号”一样采用核电池？

为什么中国的火星车不像“好奇号”一样采用核电池？

今年7月23日，我国第一个火星探测器－“天问一号”在海南文昌成功发射升空，预计于明年2月份到达火星进入火星运行轨道，此后环绕火星再运行两个多月的时间。在这两个多月的时间里，探测器将先后开启若干有效载荷，对火星的表面进行认真深入地监测和分析，从而选择合适的降落地点和降落时机，从而确定最终的探测器与着陆器分离的着陆窗口，届时，着陆器将搭载着火星车开启非常具有纪念意义的着陆征程。

在天问一号火星车上，搭载着众多有效载荷，比如多光谱相机、次表层探测雷达、表面磁场探测仪、地形相机、表面成分探测仪、气象测量仪等，在火星表面工作期间，可以全方位、立体化地呈现火星表面的地球地貌特征，监测分析火星土壤组成、磁场及分布情况、火星表面的气象环境、表面冰层结构、探测到表面以下10-100米内部结构等。于此同时，为了提高火星车在工作期间的“自主探测与调节”能力，还为其配备了路径规划、障碍物识别等环境感知功能。“天问一号”探测器及其搭载的火星车，将成为世界上第一个集“环绕监测、着陆和巡视探测”三大功能于一体的综合性探测器。

从已公开的资料来看，天问一号火星车的能源输入依靠的是4片太阳能电池板，通过将太阳能转化为可供各种载荷使用的电能。而对比之前美国“好奇号”、以及我国在探月工程中嫦娥4号中所使用的能源获取方式，使用的都是同位素差电池，也就是利用放射性材料在核裂变过程中所释放的能量，驱动具有温差电材料产生热电效应，从而实现将核能转化为电能的目的。与传统的利用太阳能板获取能量，这种核电池具有质能比高、耐受度强、寿命长等优点，那么为何我国此次在“天问一号”火星车上没有搭载这样的核电池呢？

我们在判断一件事运用哪种方案，一般情况下取决于工作目标的选择、经济性和安全性这三大因素，“天问一号”火星车之所以没有搭载核电池这种方案的确定，也离不开这三种因素的影响，下面逐一简要分析一下。

从工作目标上看，“天问一号”火星车与“好奇号”既有相同性，也有不同性。相同性体现在都是为了实地探测火量表面的地形地貌、自然环境以及土壤组成等研究目标，不同性体现在任务的工作量和机动性上。“好奇号”在设计时，其预定的工作时长达到了4年之久，而且需要不定期地变换工作所在地点，所以搭载的核电池重量非常重，这样才能够支撑其工作任务和随时移动较长距离所需。从我国的“天问一号”火星车来看，其预定的执行任务时间仅有3个月左右，需要行进的路程不是太长，再加上我国的火星车总重量与“好奇号”也相差较大，这些因素决定了我国火星车上的供电可以采用太阳能供电模式。

（好奇号火星的机动性强）

从工作的经济性来看，以放射性物质钚－238为“燃料”的同位素温差电池，由于其半衰期长达80多年，因此适合距离地球较远的深空探测，理论上钚－238的能量转换效率是比较高的，但是由于电池技术、材料的纯度、热电转换附加装置等方面的限制，实际上能量的转换效率较低，甚至很难达到10%，如果要使用这种电池进行长期的深空探测，就必须在增加电池重要上下功夫，也就是要携带足够多的放射性物质－钚238，那么无疑会大大增加发射的成本，同时也加大了火星车的荷载，对于工作时间不太长的探测任务，比如我国即将登陆的火星车，则没有必要非得远用核电池，4块太阳能板就已经能够支撑6个主要载荷设备正常工作了。

（好奇号火星车的结构）

从工作的安全性来看，实话实说，我国在这个方面的技术，与美国相比仍然有不少的差距。拿我国曾经在月球上开展实验的嫦娥4号月球车所搭载的核电池来看，其能量转换效率还不到千分之一，而美国的“好奇号”火星车的核电池，这个效率达到了近百分之零点五，是我国的近50倍。我国嫦娥4号月球车所搭载的核电池，其主要应用目的还是验证我国自主研发的核电池，在较大的温差下的耐受性问题，在火星探测上已经不再需要进行测验。另外，核电池技术虽然已经在深空探测上得到了较多的应用，但是均未达到100%的安全利用率，即使美国也有一些探测器在工作期间发生了意外，导致故障甚至爆炸，直接影响到深空探测的成败。所以为了安全考虑，同时结合探测的工作任务，目前大部分的探测器仍然采用的是太阳能板供能技术。

（热核电池的结构）

总之，我国的“天问一号”火星车之所以采用太阳能板而不用核电池，是以上多个重要因素共同影响的结果，是在满足安全性的前提下采取的最经济最可行的方案。相信随着我国深空探测任务的逐渐增多，以及探测技术的不断进步，会有越来越多的深空探测器应用核电池供能技术。