Cool！NASA發明可以在火星上使用的摩擦納米發電機

【引言】

探索火星是人類長久以來的夢想，迄今為止已有四台探測車成功登陸火星，其中的兩台仍在執行任務。電力的生產和管理對於火星車續航、儀器運行以及與地球通訊是至關重要的。而常用的太陽能電池和放射性同位素髮電機（RTG）具有一定的局限性。在火星上，頻頻光顧的沙塵暴不僅會阻擋太陽光入射，還會極大地減少火星表面太陽光強度。厚厚的粉塵覆蓋在太陽能電池板上會致使其無法有效工作。季節性的陽光下降和北極地區的低陽光強度也成為限制因素。儘管RTG的輸出穩定，但是遭遇爆炸、進入大氣層、下降和著陸等極端條件時仍可能造成放射性污染。此外，放射性同位素的製造和使用在世界範圍內是違反放射性資源的減排和控制協議的。因此，人類迫切需要可持續穩定的電源系統來彌補當前火星能源發電系統的不足。

儘管電磁發電機是地球上最受歡迎的機械能量收集器，但是這種重量型的發電機極大地限制了火星探測的發射、推進成本以及旅行時間。日益興起的摩擦電納米發電機（TENG）具有輕質化和輸出功率大的優良特性，這使得其有望成為火星上進行機械能量收集的強有力的替代者。

【成果簡介】

近日，NASA研究員Jin-Woo Han（通訊作者）等人利用火星模擬氣象室，深入研究了火星上的各種環境因素對TENG輸出性能的影響。並根據實驗結果，對TENG應用於火星探測的前景給予了合理展望。該成果以「Triboelectric nanogenerator for Mars environment」為題於2017年7月發表於Nano Energy上。

以下是文章的圖文解讀。

【圖文解讀】

火星上的環境因素

如表1所示，地球與火星的環境差異可分為以下五個因素。第一，火星的大氣壓力低於地球；第二，火星大氣的主要成分是CO2；第三，火星氣溫低於地球氣；第四，，火星表面的紫外線強度比地球高出7-8倍；第五，火星上的γ射線輻射強度比地球大約三個數量級。

表1地球和火星環境因素的定量比較

火星模擬氣象室

建立火星模擬氣象室的目的是在合理的環境條件下分析TENG的輸出性能。除了靜態性能外，還可以觀察到動態環境因素對輸出性能造成的實時變化。如圖1A所示，該氣象室由鐘形罐和金屬蓋組成，TENG安裝在懸掛的亞格力板上。固體CO2和除濕劑被放置在氣象室內以模擬火星上的CO2氛圍和極度乾燥的環境。將整個氣象室放置在絕熱包裝中以使溫度發生整體改變。

由電磁振動器產生的機械能通過機械饋通傳遞到TENG。TENG上下電極發生持續的接觸分離運動，進而產生輸出功率。TENG處於接觸狀態時，上電極與下部的PDMS摩擦起電層相接觸，導致頂部聚積大量的正電荷。隨著上下兩個電極的分離，上電極的正電荷轉移到下電極。電荷分布的變化導致上下兩電極之間產生電位差（即電壓）和電荷流（即電流）。如圖1B所示，火星模擬氣象室中的TENG的輸出特性具有良好的可重複性。在最高輸出性能條件下，開路電壓（VOC）的平均值和相對標準偏差值（RSD）分別為130.0 V和0.9％。 峰值短路電流（ISC）的平均值和RSD分別為7.99 μA和1.5％。

圖1. 火星模擬氣象室

(A) 火星模擬氣象室的配置圖。

(B) 摩擦納米發電機的輸出開路電壓和短路電流。

大氣壓力和成分的影響

為了區分大氣壓力與大氣成分對TENG輸出性能的影響，對四種環境情況進行了測試（圖2A）。從測量結果來看，VOC在較高的壓力和CO2氣氛下都較高。地球大氣環境（空氣，760 Torr）和火星環境（CO2，8 Torr）中的的平均VOC 分別為分別為44.0 V和27.9 V，即火星氣氛下VOC降低了37％。如果將TENG封裝在CO2氛圍的氣象室中，使氣象室內的壓力保持在760 Torr，此時的輸出性能可提高157％。

如圖2B，2C所示， VOC隨氣壓變大而增加，這種變化趨勢對於空氣和CO2氣氛是一致的，並且對於固定的壓力值，CO2氣氛中的VOC都明顯高於空氣氛圍中的VOC。當上下電極分離時，正負摩擦電荷通過周圍環境發生放電，因此總的摩擦電荷密度降低。電荷弛豫後剩餘的摩擦電荷密度是Paschen極限決定的。當氣壓低至大約10 Torr時，降低的Paschen極限會加速電荷弛豫，從而使剩餘電荷密度進一步降低，最終導致VOC減少。

圖2 大氣條件對TENG輸出性能的影響

(A)不同大氣條件下的輸出開路電壓隨時間的變化曲線。

(B) 當大氣由空氣（黑色）或CO2（紅色）組成時，開路電壓隨大氣壓強的變化曲線。

(C) 當大氣由二氧化碳組成時，開路電壓增加率隨大氣壓強的變化曲線。

溫度影響

與地球環境相比，火星氣象室未封裝的情況時VOC下降了17％，封裝時VOC下降了11％。 CO2氣氛中的溫度依賴性與先前在空氣環境中測得的結果並不相同，這意味著TENG對溫度的依賴性是由大氣成分和大氣壓強綜合影響的結果。從火星探路者測量的時間-溫度數據來看，火星上一天的溫度變化在197K-261K之間。在這種情況下，未封裝的TENG在中午時分有最高的VOC（25.0 V），午夜時分這一值降到最低（20.2 V）。 相比之下，密封加壓條件下的TENG在午夜時分擁有最高的VOC（117.4 V），中午時段VOC降到最低（108.9 V）。 總體來看，TENG的輸出特性日間變化相對較小，波動在20％以內。這種小幅度的性能變化意味著，TENG具有與太陽能電池板相適應的特性，即夜間性能退化嚴重。

圖3 CO2氣氛中環境溫度對TENG的輸出性能的影響。

(A)未封裝時TENG輸出性能對環境溫度的依賴。

(B) 封裝以後TENG輸出性能對環境溫度的依賴。

(C) 封裝和未封裝兩種情況下，火星環境中的一天沒溫度變化情況及預期的TENG輸出特性。

紫外線輻射的影響

如圖4所示，TENG暴露在紫外線中後，VOC迅速增加。在輻照期間，VOC增速逐漸減慢直至飽和，停止照射後VOC逐漸減少。火星上只有白天有紫外線輻射，我們研究了夜間放電特性，並將其從測量上分為兩個階段。在黑暗條件下，前3000s VOC降低了30％，然後在接下來的70小時逐漸降低至初始狀態。在紫外線照射期間會形成過多的電荷，直到電荷產生速率和放電速率達到平衡為止。這些結果表明，火星表面豐富的紫外線輻射對於提高TENG的輸出性能非常有利。VOC隨UV強度和曝光時間增加率的飽和點和達到飽和點所需的時間都增加。

圖4. 紫外線輻射對TENG輸出性能的影響。

(A) 紫外線輻照前、輻照中、輻照後的輸出特性。

(B) 在晴朗的天氣情況（紅色）和陰暗的天氣情況（藍色）下，通過紫外線輻照後的放電特性。

(C) 反覆進行紫外輻照和放電曲線的重複性測試。

(D) 不同紫外線強度和曝光時間下的的輸出性能增加率。

γ輻射的影響

在γ射線輻射下， VOC和ISC分別增長3.6％和1.9％。與其他環境因素相比，這一變化率並不顯著。因此，火星的伽馬輻射不是設計TENG所需考慮的重要問題，也不會成為限制因素。

圖5. 環境因素對TENG輸出性能的影響小結。

(A) 火星和地球上的預期的TENG輸出性能。

(B) 火星氣象室中的TENG直接驅動的LED，不需要任何存儲元件和電路。

【小結】

環境因素對TENG性能的影響如下：

1.CO2氣氛、低溫和高強度表面紫外線輻射可以提高TENG的輸出性能；

2.低氣壓降低TENG的輸出性能；

3.γ射線輻射對TENG的性能幾乎沒有影響。

基於本研究的深入分析，我們有理由暢想：在未來的火星探測中，在陽光充足的白天，太陽能電池是發電的主力，而TENG可以作為備用電源。當遭遇長期的沙塵暴天氣時，太陽能電池無法產生足夠的電力，此時TENG將取而代之成為主要的電源。這種互補的光伏--TENG混合系統將為火星探測和人類棲息地持續提供充足的電力。

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