史上最坚固金星探测器
很长时间以来，人类都在努力试图登陆太阳系中环境最恶劣的金星。金星表面覆盖硫酸云雾，地表温度接近460 度（860 F），且大气压强为地球的90倍。铅、锌和锡都以液态存在，而二氧化碳的重量大致相当于海洋深处一公里的程度，足以摧毁一艘潜艇。
随着日本AKATSUKI（“拂晓”号）探测器于2015年12月成功进入金星轨道，登录金星问题重新得到了关注，美国航天局和欧洲航天局也有计划在2020-2030间发射探测器造访金星。俄罗斯甚至也计划继续推进他们在1970和80年代大获成功的Venera和 Vega金星探测任务。所有这些探测任务都涉及人造卫星，将研究金星大气层、磁场和地理环境。 而要真正了解金星的环境需要一个登陆器。登陆器可以测试空气中的化学成分和岩石构造，进行地球介质研究以了解金星内部结构。VeneraD探测器搭载有一个登陆器，根据携带的电池的情况，登陆器的使命是持续工作三小时。前苏联的Venera 13探测器曾经在1982年登陆火星，并在这种有毒害的环境下生存了127分钟，创造了当时最长生存记录。 金星的大气层热到足以融化正常的电路的程度。(图片来源: Science Photo Library) 因此制造一个使用寿命更长，比如能够持续一天或更长时间的探测器需要打造耐高温的电子设备，或者找到可以为相当于处于烤炉上的探测器降温的办法，或者两者兼而有之。它必须要在没有太阳能电池板的情况下持续工作，因为金星上通常是阴天，因此太阳能电池并不高效。使用电池很难持续工作，也不能产生足够的动能。 对于电子产品，美国航天局的科学家们正在寻找能够在高温下持续工作的新材料来制造计算机芯片。“在近500度高温（932 F）的环境下能工作的要求注定是要不一样的，”美国宇航局的研究工程师加里.亨特（Gary Hunter）说，“我们需要不同的绝缘体和不同的接触面……我们必须彻底改造这些电路。” 亨特认为问题的关键在于，很多材料在高温情况下的特性变化很大。例如，硅是一种半导体，但在高温下–约300度时（572 F）–它开始成为一个导体，因此不能应用在电子设备中。另一个问题是，即使硅电路本身能够在高温下稳定工作，也很难找到耐高温的链接电路之间的其他材料。 亨特说，美国航天局正在考虑使用碳化硅为基础的电子产品，它可以在这种温度下运行更长的时间，使登陆器可以在金星表面运行。而缺点在于，到目前为止，用此类芯片的计算机似乎比现代计算机的运算能力更弱。 2014年据来自美国航天局的金星探测分析组报告介绍，这样的电子产品就好像上世纪60年代的计算机。“我们讨论的不是奔腾系统，亨特说。但通过一些创造性的设计，这个电子设备可以将探测器上的图片和数据传输到卫星上，然后再传递回地球。 亨特说这样做的目的就是要使探测器能工作上千小时—相当于金星上的一日—也就是地球上的117天。 至于电力系统方面，宾夕法尼亚州立大学的蒂莫西.米勒（Timothy Miller）和美国航天局格伦研究中心（Glenn Research Center）的迈克尔.保罗（Michael Paul）和史提芬.奥尔森（Steven Oleson）提出了使用斯特灵（Stirling）发动机的想法。 斯特灵发动机的工作从冷藏室的液体开始（冷藏的意思是指温度较低而不是冷冻）。该液体经由第一个活塞压缩，并移动到第二个腔室，在那里它被加热。加热的流体膨胀，助推第二个活塞，这个活塞与第一个活塞通过一个车轮或器械臂相连。当第二个活塞推动第一个活塞，液体就会流回到冷藏室，导致温度下降，循环周期再次开始。只要有热源，发动机就可以保持工作状态。斯特灵发动机目前在一些制冷系统中广泛使用，甚至在潜艇中（瑞典海军的哥特兰岛级潜艇（Gotland-class boats）就使用该发动机进行水下推进）。 该技术1816年由苏格兰教士罗伯特斯特灵（Robert Stirling）发明并使用至今。米勒和保罗认为这项古老的发明可以用在未来的航天器中，并在《宇航学报》（ActaAstronautica）上发表了这一想法。美国航天局已经资助开展了一些初步的测试。 米勒认为斯特灵发动机可以为冷却电子仪器和保持设备运行提供足够的电力，所以比使用电池的探测器运行的时间更长。工作用的液体可能是氦，因为它能有效地传递热量，而与其他气体相比不容易起化学反应。 但动力并不是唯一考虑的因素：斯特灵发动机需要燃料。米勒和他的团队决定使用锂，它可以在二氧化碳和氮气中燃烧。（金星上的氮占空气的4%左右）。锂可以在180 度时（356 F）融化，因此可以成为一种有效的可以在金星上使用的液体燃料，也更容易“燃烧”。 这将最大限度地减少飞船发射时的重量-所有它需要搭载的就是锂的重量。根据米勒的研究，50公斤（110磅）发动机和燃料组合设置可以支撑太空探测器运行两天。 高温能够改变传导器的物理特性，为设计师带来新的挑战。(图片来源: Getty Images) 发动机将被配置为单一的活塞系统，一边冷，一边热，这将推动一个交流发电机来回运作进行发电。到目前为止，米勒和他的团队已经开始在四至五个大气压环境下进行一些小规模实验；该团队目前正在寻找更多的赞助，以便在类金星的环境下测试登陆器。 此外，锂不会造成污染。对于一个无人居住的星球考虑这样的问题似乎很奇怪，但是这点很重要。“我们希望搭建一个系统支撑我们完成使命，不管要耗多长时间，我们也不希望产生额外的气体污染周围的环境，”米勒说。 锂在二氧化碳中燃烧可形成碳酸锂。这意味着，即将测试周围气体的登陆器的数值不会受到不正常围棋排放的影响。 如果研究团队可以证明他们的燃烧系统能在90个气压环境中工作，那么这项技术将提升到一个新的水平，也更有可能进行飞行，“如果我们能证明这个系统可以持续工作一周的时间就好了，”米勒说。 金星和地球在许多方面是相似的。他们的半径彼此相差不超百分之几的范围，且金星的质量是地球的81%。当地球和金星形成时，它们都在太阳星云的附近，所以大部分的组成应该是相似的。通过技术革新，人类可以创造出寿命更长的登陆器，这将有助于人类解密为什么地球成为了生命存在星球，而金星则成为了卡尔.萨根（Carl Sagan）口中所称的“最接近地狱的地方”的星球。 请访问 BBC Future 阅读 英文原文。