为了登陆金星，科学家研究能量穿过金星大气层的可行性

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金星-13太空探测器拍摄的金星表面的第一张彩色照片。金星13号探测器只持续了127分钟，就屈服于金星的极端表面环境。建造更持久的金星着陆器的一部分是弄清楚如何为其供电。资料来源：美国宇航局

几周前，加州理工学院的一组科学家宣布，他们已经成功地将能量从一颗轨道卫星传输到地球。这不是很多能量，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上，使太阳能几乎可以在任何地方使用，并帮助应对气候变化。但还有另一个潜在的用途：为金星上的表面探测器供电。

每个人都知道金星。它以其极端的热量和压倒性的大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，其中大多数都失败了。最成功的是金星13号，它在457°C（855°F）下存活了两个多小时，并承受9.0 MPa（89标准大气压）的压力。

尽管金星13号取得了短暂但重大的成功，但金星仍然保留着它的秘密，我们被拉回到它的表面来揭示它们。这就是为什么美国宇航局希望将着陆器送入地面，作为其DAVINCI+任务（深大气金星稀有气体，化学和成像调查）的一部分。

但问题是，如何在金星独特而危险的表面为着陆器提供动力，假设我们可以建造一个不会轻易屈服于金星恶劣条件的着陆器。通常的方法 - 太阳能，电池，放射性同位素热电发电机 - 无法完成这项任务。这是根据发表在《宇航学报》杂志上的题为“通过金星大气层发射能量的可行性”的新研究得出的。通讯作者是喷气推进实验室的Erik Brandon。

“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空间动力技术无法在金星表面运行，受到高温，高压和腐蚀性环境的限制，”作者解释说。

这项研究的这个数字显示了金星的大气层如何使微波难以将能量从云层上方发射到表面。“在这个光谱范围内，水蒸气和CO2是唯一重要的吸收气体，而H2SO4云/气溶胶是消光光学深度的主要贡献者，”该论文解释说。资料来源：格兰迪埃等人，2023 年

金星离太阳更近，但其厚厚的大气层意味着没有太多的太阳辐射到达表面。大约75%的太阳能量被金星的云层反射，只有大约2.5%的太阳通量入射到大气层顶部到达地表。在云层之上，太阳能是丰富的。金星在大气层顶部接收的太阳辐照度是地球在大气层顶部的两倍。

云层上方的太阳能集热器能否利用这种丰富的能量，然后向下发射到着陆器/漫游车？它必须穿过很多厚厚的云层。“从大气吸收和光束能量散射的角度讨论了这种方法和其他相关任务概念的可行性，”该论文指出。

将能量从一个地方发射到另一个地方称为无线能量（或功率）传输。有两种类型：近场和远场。近场是短距离能量传输，就像移动设备充电板中使用的类型一样。远场能量传输也称为功率束，它使用微波或激光将功率从生产者发射到接收器。

将能量从轨道太阳能收集器发射到地面飞行器的一个问题是金星地球静止轨道的复杂性。这颗行星的旋转速度如此之慢，以至于地球静止轨道与地球的距离很远，这使得轨道不稳定。不知何故，太阳能集热器需要离地球更近。在大约60或70公里的高度，在上层云层上方，收集器基本上可以接收所有可用的阳光。任务设计可能必须将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。“在着陆器的几次轨道飞行过程中可以接收数百瓦时（瓦特小时）的能量，”作者解释说。

但这些都是整个特派团结构的更大问题。这项研究假设这个问题有解决方案。在这项工作中，作者专注于如何发射能量并接收它，这是尚未彻底研究的东西。“然而，迄今为止，还没有关于在相关波长传输功率的可行性的彻底研究，如果可以设计和实施合适的平台和任务架构，”作者写道。

问题在于金星的大气层很稠密，含有干扰微波能量束的化学物质。CO2 浓度是一个特殊的问题。

该研究的这一数字显示了激光从 47 公里的高度以不同波长传输的能量。之所以选择47公里的高度，是因为在它之下，光束能量的散射较少。大气中可能有足够的窗口，允许激光传输足够的能量来操作地面着陆器。资料来源：格兰迪埃等人，2023 年

激光可能是更好的选择。尽管稠密的大气存在问题，但大气中存在某些“频率窗口”，可以允许用激光进行光束。“与直觉相反，尽管有连续的云层覆盖，但通过激光源的功率光束在金星是可能的，因为金星大气中存在某些光学/红外'窗口'，而微波功率光束是无法获得的，”作者写道。

激光还有其他优点，例如与微波相比，光束扩散更少。这意味着接收天线不需要那么大。一个一米长的接收器可能就足够了，而且不会笨拙到过多地干扰着陆器的设计。

虽然太阳能在金星大气层的顶部很丰富，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位于大气层中间附近。在那里，它将接收足够的太阳能是可行的，并且只需要将能量通过大气的一部分。

研究表明，47公里的海拔高度很重要。在这个高度有一个云底，在它下面，光束的能量受到较少的散射。它还表明，从47公里开始，最高的传输系数在1022纳米处，其中大约20%的光束能量将到达地面着陆器。

“这些计算指出了一种合理的方法，使用从云底附近运行的空中平台传输，在金星上发射功率，”作者写道。

但是，这样做的技术是否存在？该论文没有讨论在47公里高度可以使用哪种类型的飞船或平台。他们专注于功率束本身，如果计算表明这是可能的。但他们也谈到了可用的激光技术以及它是否能胜任这项任务。

一个原型空中机器人气球或aerobot已准备好由JPL和近太空公司的团队成员于2022年7月在内华达州黑岩沙漠进行日出试飞。aerobot成功完成了两次飞行，演示了受控的高度飞行。资料来源：NASA/JPL-加州理工学院

根据研究人员的说法，我们还没有合适的激光器。

不过，研究人员正忙于开发它们。在近红外（NIR）窗口中工作的掺镱光纤激光器（YDFL）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下工作：1022。相反，它们仅限于另外两个范围：970-980 nm 和 1030-1100 nm。但激光是世界各地不同研究人员的强烈关注点，并且进展是稳定的。

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波束任务都至关重要。但研究人员已经在研究用于金星的气球和其他空中平台。假设它们可以被开发出来，作者相信能量束场景可以应对挑战，并在金星表面创造成功的任务。

“此外，尽管在控制和指向这种用于功率束和整体热管理的飞行器平台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功率水平被发射到金星表面。

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+有三个主要的科学目标，其中之一是了解大气层的传播过程。

它的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的障碍。如果能够可靠地完成，那么金星将开放进行探索。

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原标题：《『为了登陆金星，科学家研究能量穿过金星大气层的可行性》

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