史上最堅固金星探測器

很長時間以來，人類都在努力試圖登陸太陽系中環境最惡劣的金星。金星表面覆蓋硫酸雲霧，地表溫度接近460 度（860 F），且大氣壓強為地球的90倍。鉛、鋅和錫都以液態存在，而二氧化碳的重量大致相當於海洋深處一公里的程度，足以摧毀一艘潛艇。

隨著日本AKATSUKI（「拂曉」號）探測器於2015年12月成功進入金星軌道，登錄金星問題重新得到了關注，美國航天局和歐洲航天局也有計劃在2020-2030間發射探測器造訪金星。俄羅斯甚至也計劃繼續推進他們在1970和80年代大獲成功的Venera和 Vega金星探測任務。所有這些探測任務都涉及人造衛星，將研究金星大氣層、磁場和地理環境。

而要真正了解金星的環境需要一個登陸器。登陸器可以測試空氣中的化學成分和岩石構造，進行地球介質研究以了解金星內部結構。VeneraD探測器搭載有一個登陸器，根據攜帶的電池的情況，登陸器的使命是持續工作三小時。前蘇聯的Venera 13探測器曾經在1982年登陸火星，並在這種有毒害的環境下生存了127分鐘，創造了當時最長生存記錄。

因此製造一個使用壽命更長，比如能夠持續一天或更長時間的探測器需要打造耐高溫的電子設備，或者找到可以為相當於處於烤爐上的探測器降溫的辦法，或者兩者兼而有之。它必須要在沒有太陽能電池板的情況下持續工作，因為金星上通常是陰天，因此太陽能電池並不高效。使用電池很難持續工作，也不能產生足夠的動能。

對於電子產品，美國航天局的科學家們正在尋找能夠在高溫下持續工作的新材料來製造計算機芯片。「在近500度高溫（932 F）的環境下能工作的要求注定是要不一樣的，」美國宇航局的研究工程師加裏.亨特（Gary Hunter）說，「我們需要不同的絕緣體和不同的接觸面……我們必須徹底改造這些電路。」

亨特認為問題的關鍵在於，很多材料在高溫情況下的特性變化很大。例如，硅是一種半導體，但在高溫下–約300度時（572 F）–它開始成為一個導體，因此不能應用在電子設備中。另一個問題是，即使硅電路本身能夠在高溫下穩定工作，也很難找到耐高溫的鏈接電路之間的其他材料。

亨特說，美國航天局正在考慮使用碳化硅為基礎的電子產品，它可以在這種溫度下運行更長的時間，使登陸器可以在金星表面運行。而缺點在於，到目前為止，用此類芯片的計算機似乎比現代計算機的運算能力更弱。 2014年據來自美國航天局的金星探測分析組報告介紹，這樣的電子產品就好像上世紀60年代的計算機。「我們討論的不是奔騰系統，亨特說。但通過一些創造性的設計，這個電子設備可以將探測器上的圖片和數據傳輸到衛星上，然後再傳遞回地球。

亨特說這樣做的目的就是要使探測器能工作上千小時—相當於金星上的一日—也就是地球上的117天。

至於電力系統方面，賓夕法尼亞州立大學的蒂莫西.米勒（Timothy Miller）和美國航天局格倫研究中心（Glenn Research Center）的邁克爾.保羅（Michael Paul）和史提芬.奧爾森（Steven Oleson）提出了使用斯特靈（Stirling）發動機的想法。

斯特靈發動機的工作從冷藏室的液體開始（冷藏的意思是指溫度較低而不是冷凍）。該液體經由第一個活塞壓縮，並移動到第二個腔室，在那裏它被加熱。加熱的流體膨脹，助推第二個活塞，這個活塞與第一個活塞通過一個車輪或器械臂相連。當第二個活塞推動第一個活塞，液體就會流回到冷藏室，導致溫度下降，循環週期再次開始。只要有熱源，發動機就可以保持工作狀態。斯特靈發動機目前在一些制冷系統中廣泛使用，甚至在潛艇中（瑞典海軍的哥特蘭島級潛艇（Gotland-class boats）就使用該發動機進行水下推進）。

該技術1816年由蘇格蘭教士羅伯特斯特靈（Robert Stirling）發明並使用至今。米勒和保羅認為這項古老的發明可以用在未來的航天器中，並在《宇航學報》（ActaAstronautica）上發表了這一想法。美國航天局已經資助開展了一些初步的測試。

米勒認為斯特靈發動機可以為冷卻電子儀器和保持設備運行提供足夠的電力，所以比使用電池的探測器運行的時間更長。工作用的液體可能是氦，因為它能有效地傳遞熱量，而與其他氣體相比不容易起化學反應。

但動力並不是唯一考慮的因素：斯特靈發動機需要燃料。米勒和他的團隊決定使用鋰，它可以在二氧化碳和氮氣中燃燒。（金星上的氮佔空氣的4%左右）。鋰可以在180 度時（356 F）融化，因此可以成為一種有效的可以在金星上使用的液體燃料，也更容易「燃燒」。

這將最大限度地減少飛船發射時的重量-所有它需要搭載的就是鋰的重量。根據米勒的研究，50公斤（110磅）發動機和燃料組合設置可以支撐太空探測器運行兩天。

發動機將被配置為單一的活塞系統，一邊冷，一邊熱，這將推動一個交流發電機來回運作進行發電。到目前為止，米勒和他的團隊已經開始在四至五個大氣壓環境下進行一些小規模實驗；該團隊目前正在尋找更多的贊助，以便在類金星的環境下測試登陸器。

此外，鋰不會造成污染。對於一個無人居住的星球考慮這樣的問題似乎很奇怪，但是這點很重要。「我們希望搭建一個系統支撐我們完成使命，不管要耗多長時間，我們也不希望產生額外的氣體污染周圍的環境，」米勒說。

鋰在二氧化碳中燃燒可形成碳酸鋰。這意味著，即將測試周圍氣體的登陸器的數值不會受到不正常圍棋排放的影響。

如果研究團隊可以證明他們的燃燒系統能在90個氣壓環境中工作，那麼這項技術將提升到一個新的水平，也更有可能進行飛行，「如果我們能證明這個系統可以持續工作一周的時間就好了，」米勒說。

金星和地球在許多方面是相似的。他們的半徑彼此相差不超百分之幾的範圍，且金星的質量是地球的81%。當地球和金星形成時，它們都在太陽星雲的附近，所以大部分的組成應該是相似的。通過技術革新，人類可以創造出壽命更長的登陸器，這將有助於人類解密為什麼地球成為了生命存在星球，而金星則成為了卡爾.薩根（Carl Sagan）口中所稱的「最接近地獄的地方」的星球。

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