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【导(dǎo)语(yǔ)】近(jìn)日(rì)，中(zhōng)国科学技术大学舒歌群教授课题组在Science Bulletin上发表了一项突破性研究成果，揭示了火星原位气体在热电转化方面的卓越性能。该研究首次提出并验证了利用火星大气中的原位气体进行热电转化的新概念，为未来火星探测任务的能源系统设计提供了全新的视角。通过理论计算与性能预测，该工作不仅展示了火星原位气体在极端环境下的适应性和技术竞争力，还为实现火星上的可持续能源供应开辟了新路径。

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(rè)完(wán)成(chéng)发(fā)电(diàn)循(xún)环(huán)，原(yuán)位(wèi)气(qì)体(tǐ)收(shōu)集器(qì)将(jiāng)火(huǒ)星(xīng)原(yuán)生(shēng)气(qì)体(tǐ)注(zhù)入(rù)系(xì)统(tǒng)，实(shí)现(xiàn)工(gōng)作(zuò)介(jiè)质(zhì)的(de)自(zì)给(gěi)自(zì)足(zú)确(què)保(bǎo)电(diàn)力(lì)系(xì)统(tǒng)的(de)可(kě)持(chí)续(xù)运(yùn)行(xíng)；(b) 火(huǒ)星(xīng)气(qì)体(tǐ)具(jù)有(yǒu)分(fēn)子(zi)质(zhì)量(liàng)大(dà)、高(gāo)温(wēn)性(xìng)质(zhì)稳(wěn)定(dìng)和(hé)定(dìng)压(yā)比(bǐ)热(rè)高(gāo)，热(rè)电(diàn)转(zhuǎn)化(huà)过(guò)程(chéng)单(dān)位(wèi)体(tǐ)积(jī)输(shū)出(chū)功(gōng)率(lǜ)高(gāo)，黏(nián)度(dù)小(xiǎo)流(liú)动(dòng)性(xìng)能(néng)出(chū)色(sè)；(c) 闭(bì)式(shì)亚(yà)临(lín)界(jiè)循(xún)环(huán)是(shì)火(huǒ)星(xīng)气(qì)体(tǐ)最(zuì)适(shì)合(hé)的(de)工(gōng)作(zuò)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(néng)预(yù)测(cè)与(yǔ)前(qián)景(jǐng)评(píng)估(gū)

高(gāo)功(gōng)率(lǜ)密(mì)度(dù)和(hé)高(gāo)效(xiào)率(lǜ)是(shì)空(kōng)间(jiān)热(rè)电(diàn)转(zhuǎn)换(huàn)的(de)重(zhòng)要(yào)目(mù)标(biāo)。该(gāi)文开(kāi)发(fā)了(le)一(yī)个(gè)火(huǒ)星(xīng)气(qì)体(tǐ)的(de)热(rè)力(lì)学(xué)模(mó)型(xíng)来(lái)预(yù)测(cè)关键参(cān)数(shù)主动(dòng)设(shè)计(jì)下(xià)的(de)理(lǐ)论(lùn)热(rè)电(diàn)转(zhuǎn)换(huàn)性(xìng)能(néng)，明(míng)确(què)功(gōng)率(lǜ)密(mì)度(dù)和(hé)效(xiào)率(lǜ)的(de)协(xié)同(tóng)优(yōu)化(huà)路径。随(suí)后(hòu)与(yǔ)目(mù)前(qián)广(guǎng)泛(fàn)研(yán)究(jiū)的(de)氦(hài)氙(xiān)稀(xī)有(yǒu)气(qì)体(tǐ)动(dòng)态(tài)热(rè)电(diàn)转(zhuǎn)化(huà)、太(tài)阳(yáng)能(néng)光(guāng)伏(fú)阵(zhèn)列(liè)和(hé)热(rè)电(diàn)材(cái)料(liào)技(jì)术(shù)进(jìn)行(xíng)了(le)比(bǐ)较(jiào)，探(tàn)索(suǒ)其(qí)技(jì)术(shù)竞(jìng)争(zhēng)力(lì)和(hé)适(shì)应(yīng)的(de)火(huǒ)星(xīng)探(tàn)索(suǒ)任(rèn)务(wu)场(chǎng)景(jǐng)。

(a)分(fēn)析(xī)了(le)设(shè)计(jì)冷(lěng)端(duān)温(wēn)度(dù)对(duì)发(fā)电(diàn)效(xiào)率(lǜ)、功(gōng)率(lǜ)密(mì)度(dù)和(hé)散(sàn)热(rè)器(qì)比(bǐ)面(miàn)积(jī)的(de)影(yǐng)响(xiǎng)，重(zhòng)点(diǎn)建(jiàn)立(lì)合(hé)理(lǐ)的(de)冷(lěng)端(duān)温(wēn)度(dù)指(zhǐ)标(biāo)区(qū)间(jiān)；(b) 提(tí)高(gāo)热(rè)端(duān)温(wēn)度(dù)可(kě)以(yǐ)显(xiǎn)著(zhe)减(jiǎn)少(shǎo)热(rè)交(jiāo)换(huàn)部(bù)件(jiàn)的(de)总(zǒng)质(zhì)量(liàng)并(bìng)提(tí)高(gāo)效(xiào)率(lǜ)，系(xì)统(tǒng)重(zhòng)量(liàng)先(xiān)降(jiàng)低(dī)后(hòu)逐(zhú)渐(jiàn)趋(qū)于(yú)稳(wěn)定(dìng)；(c) 火(huǒ)星(xīng)气(qì)体(tǐ)成(chéng)分(fēn)季(jì)节(jié)性(xìng)迁(qiān)移(yí)对(duì)热(rè)电(diàn)转(zhuǎn)换(huàn)功(gōng)率(lǜ)输(shū)出(chū)和(hé)效(xiào)率(lǜ)的(de)影(yǐng)响(xiǎng)较(jiào)小(xiǎo)。(d) 在(zài)空(kōng)间(jiān)核(hé)反(fǎn)应(yīng)堆(duī)二(èr)级(jí)回(huí)路所(suǒ)涵(hán)盖(gài)的(de)温(wēn)度(dù)范(fàn)围(wéi)下(xià)，火(huǒ)星(xīng)原(yuán)位(wèi)气(qì)体(tǐ)理(lǐ)论(lùn)上(shàng)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。