科学家研究通过金星大气层进行能量传输的可行性

几周前，加州理工学院的一组科学家宣布，他们已成功将能量从轨道卫星传输到地球。虽然能量不是很多，但它表明这是可能的。

最终，我们也许能够将太阳能卫星的能量发射到地球，使太阳能几乎可以在任何地方使用，并帮助应对气候变化。但还有另一个潜在用途：为金星表面探测器提供动力。

每个人都知道金星。它以其极高的温度和巨大的气压杀死了多个着陆器。前苏联向地球表面发射了一系列探测器，但大多数都失败了。最成功的是 Venera 13，它在 457 °C (855 °F) 和 9.0 MPa(89 标准大气压)的压力下仅存活了两个多小时。

尽管金星 13 号取得了短暂但重大的成功，但这颗行星仍保留着它的秘密，而我们被吸引回到它的表面来揭开它们。这就是为什么 NASA 希望将着陆器发送到金星表面，作为其 DAVINCI+ 任务(深层大气金星稀有气体、化学和成像调查)的一部分。

但问题是，假设我们能够建造一个不会轻易屈服于金星恶劣条件的着陆器，如何为金星独特、危险的表面上的着陆器提供动力。常用的方法——太阳能、电池、放射性同位素热电发电机——无法胜任这项任务。这是根据发表在《宇航学报》杂志上的题为“通过金星大气层进行能量发射的可行性”的新研究得出的结论。通讯作者是喷气推进实验室的埃里克·布兰登(Erik Brandon)。

作者解释道：“由太阳能电池阵列、电池和放射性同位素热电发电机组成的最先进的太空发电技术，由于受到高温、高压和腐蚀性环境的限制，无法在金星表面运行 。 ”

金星距离太阳更近，但其厚厚的大气层意味着没有多少太阳辐射到达表面。大约 75% 的太阳能量被金星云层反射，只有大约 2.5% 在大气层顶部入射的太阳通量到达表面。在云层之上，太阳能非常丰富。金星在其大气层顶部接收到的太阳辐照度是地球在其大气层顶部接收到的太阳辐照度的两倍。

这种丰富的能量可以被云层上方的太阳能收集器利用，然后传输到着陆器/漫游车吗?它必须穿过很多厚厚的云层。该论文指出：“本文从大气吸收和散射光束能量的角度讨论了这种方法和其他相关任务概念的可行性。”

将能量从一个地方传输到另一个地方称为无线能量(或电力)传输。有两种类型：近场和远场。近场是短距离能量传输，例如移动设备充电板中使用的类型。远场能量传输也称为功率发射，它使用微波或激光将功率从产生器发射到接收器。

从轨道太阳能收集器向地面飞行器发射能量的一个问题是金星地球静止轨道的复杂性。行星自转速度如此缓慢，导致地球静止轨道与行星的距离很远，使得轨道不稳定。不知何故，太阳能收集器需要离地球更近。在高层云层之上，大约 60 或 70 公里的高度，收集器基本上会接收到所有可用的阳光。任务设计可能必须使收集器或收集器组保持在正确的高度和位置。

另一种解决方案是将一部分能量发射到每个轨道上的着陆器，这可能就足够了。作者解释道：“着陆器经过数次轨道运行时可以接收数百 Wh(瓦时)的能量。”

但这些是整体任务架构的更大问题。这项研究假设该问题有解决方案。在这项工作中，作者重点关注如何发射和接收能量，这一点尚未得到彻底研究。作者写道：“然而，迄今为止，如果能够设计和实施合适的平台和任务架构，还没有对相关波长传输功率的可行性进行彻底的研究。”

问题在于金星的大气层很稠密，并且含有干扰微波功率束的化学物质。CO 2浓度是一个特殊问题。

激光可能是更好的选择。尽管稠密的大气层存在问题，但大气层中存在某些“频率窗口”，可以允许激光进行功率发射。作者写道：“与直觉相反，尽管有连续的云层覆盖，但金星上可能有可能通过激光源进行功率发射，因为金星大气层内存在某些光学/红外‘窗口’，而使用微波功率发射无法实现这些窗口。”

激光器还具有其他优点，例如与微波相比，光束扩散较小。这意味着接收天线不需要那么大。一米长的接收器可能就足够了，而且不会太笨重而过多干扰着陆器的设计。

虽然金星大气层顶部的太阳能非常丰富，但将其穿过整个大气层可能不是最好的方法。相反，气球或其他飞行器可以将自己定位在大气层中部附近。在那里，它会接收到足够的太阳能，并且只需要通过一部分大气层发射能量。

研究表明，47公里的海拔高度意义重大。在该高度处有一个云底，在云底之下，发射的能量受到的散射较少。它还显示，从 47 公里处开始，最高传输系数为 1022 纳米，大约 20% 的光束能量将到达表面着陆器。

作者写道：“这些计算表明，使用在云底附近运行的空中平台进行传输，可以在金星上进行功率发射。”

但做到这一点的技术存在吗?该论文没有讨论什么类型的车辆或平台可以在 47 公里的高度使用。他们关注的是能量发射本身，以及计算是否表明这是可能的。但他们也讨论了可用的激光技术以及它是否能够胜任这项任务。

据研究人员称，我们还没有完全合适的激光类型。

不过，研究人员正忙于开发它们。掺镱光纤激光器 (YDFL) 工作在近红外 (NIR) 窗口，也可以在高功率下工作，目前正在开发中。不幸的是，它们不能在金星使用的理想波长：1022 处工作。相反，它们仅限于其他两个范围：970–980 nm 和 1030–1100 nm。但激光是世界各地不同研究人员关注的焦点，并且进展稳定。

保持某种空中平台稳定并处于正确位置的任务对于任何动力发射任务都至关重要。但研究人员已经在研究用于金星的气球和其他空中平台。假设它们能够被开发出来，作者相信能量发射场景能够应对挑战并成功完成金星表面的任务。

“此外，尽管在用于功率发射和整体热管理的此类飞行器平台的控制和指向方面存在工程和任务设计挑战，但这项分析表明，可以利用这些光学窗口来实现足够的任务支持功率水平被传送到金星表面。”

在设计特定系统之前，我们需要更好地了解金星的大气层。DAVINCI+ 具有三个主要科学目标，其中之一是了解大气层穿过的过程。

其发现将帮助科学家了解他们在向地球表面发射能量时面临哪些障碍。如果能够可靠地完成，那么金星将开放探索。