「探索一號」萬米深淵探海神器：全固態電池、國產浮力材料、全海深保壓氣密取樣器

最新 07-03

來關注水下萬米探秘的深海探測器。2017年3月，中國科學院深淵科考隊完成了再探萬米深淵的科考任務，實現了多項世界級的重大突破。利用深淵著陸器，科考隊員對我國自主研發的浮力材、固態鋰電池、保壓氣密取樣器等一系列深海裝備進行了成功試驗。

1、全固態電池

這個11厘米高17厘米長的小盒子就是「萬泉號「搭載的國產固態鋰電池。海水深度每增加10米，物體在水中所承受的壓力就增加一個單位的大氣壓強。因此要想在萬米深淵為科考設備提供穩定的電力供應，電池就必須要承受巨大的壓力。傳統的商品鋰離子電池採用液態電解液體系，在承受深海壓力的情況下形變比較大，很容易短路發生爆炸，存在很大的安全隱患。而在新型的電源系統中，電池製作採用聚合物固態電解質技術，憑藉聚合物電解質的高分子體系優異的機械特性，電池的耐受壓能力明顯增強。

青島能源所分所所長崔光磊：我們這個電源系統是採用固態電解質，它具有很好的機械強度，而且有非常高的比能量密度、安全性能和長循環壽命。這樣的（電源）就更能為我們的深海科考提供一個堅實的電源保障。

除了採用固態電源系統，考慮到海水高鹽特性帶來的強烈腐蝕作用和海水導電容易帶來電路短路的危害，科學家們採用硅油浸泡的方式對電池進行了進一步的保護。為了保證電源系統晶元和電路板在萬米深海的正常工作，新型固態電池系統還配備了壓力緩衝球，來實現深海高壓的平衡。

青島能源所分所所長崔光磊：這裡當海水壓力不斷增加的情況下，相應的壓力會壓到（通過）下面的緩衝球，將硅油壓到相應的電源系統中去，這樣的話系統上表面壓力就可以得到一個緩衝（平衡），這相當於多了一個充油耐壓的裝置。

從電池開發到深海示範過程中，科學家們從剛開始的三千米、四千米、六千米一直做到了一萬多米的模擬艙打壓實驗，還進行了模擬萬米海深環境的同步充放電試驗，來檢測電池相應的電化學性能和充放電速度等具體技術參數。在「探索一號」Ts03航次科考中，新型固態電池一共實現了146個小時的工作時長，單次最長工作時間達20小時。

青島能源所分所所長崔光磊：目前這種先進電源系統技術只有日本掌握，國內並沒有該種技術。這次採用全固態鋰電池的技術，示範效果非常好，當然這個工作也標誌著我們掌握了萬米電源的核心技術，這樣為我們的深海（空間站）實驗奠定了一個非常堅實的工作（能源供給）基礎。

2、固體浮力材料

除了保障深海設備持久的能量來源，著陸器完成試驗後數據的回收也同樣重要，那麼，經過長時間的水下作業後，科考實驗著陸器又是如何回收的呢？我國自主研發的新型浮力材料發揮了作用。

深海裝備能夠下潛到萬米深淵，重新浮出到水面，需要靠特殊的材料來為整個系統提供浮力，使之能夠在不藉助外力的情況下自主就浮出水面，從而完成設備與實驗數據的回收。在這次探索一號Ts03航次中，「萬泉號」著陸器就首次搭載著全國產化的固體浮力材料進行了作業。

中科院理化所研究員張敬傑：固體浮力材料中最關鍵最核心的是這個輕質粉體材料，我們把它叫做空心玻璃微球。純樹脂肯定起不到一個提供浮力的作用，所以我們必須加上密度調節劑。固體浮力材料主要是起一個提供浮力的作用，但是它也要滿足在深海底下具有抗壓的性能。這個抗壓的性能主要是由樹脂基材和空心小球同時提供，所以就要求樹脂基材也要強，空心小球也要強。實際上最難的難點就是又要輕，又要強，這是它矛盾的一個統一。

搭載有固體浮力材料的設備著陸器在下潛時底部掛有壓載鐵，能夠在重力的作用下潛到海底，並最終在海底著陸，之後根據控制開展數據收集等工作。完成預定任務後，設備著陸器便需要依靠浮力材料從萬米深淵浮出水面。

國科大機械電子工程博士陳俊：當執行完任務之後，我們通過發送聲學的指令，執行拋載動作，我們的掛鉤就脫開，壓載鐵就和我們著陸器的本體分離，我們的著陸器在浮力材料提供的浮力作用下就可以浮出水面。當浮出水面之後，我們著陸器搭載的水面示位的設備就可以把著陸器出水GPS坐標點發送到我們母船的接收終端上面，母船根據我們的GPS坐標就可以找到著陸器進行回收。

著陸器在上浮的過程中要受到海流和自身外形的影響，整個上浮的過程中會呈現螺旋形上浮的狀態。目前著陸器從萬米浮上水面需要4-5個小時，從實驗數據來看，著陸器在萬米的區域作業，上浮的出水點和布放的點偏差根據海流大小不同會偏差1-2公里。

3、全海深保壓氣密取樣器

前面我們介紹了全固態電源電池、新型固體浮力材料，還有一個首次帶回萬米深淵珍貴氣密樣品的全海深氣密保壓取樣器，這個獨門利器為認識深淵底部化學環境和生命過程、探索深淵生命起源等科學目標提供有力支持。

浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室是國內最早開展深淵氣密取樣技術研究的單位之一，他們突破了超高壓雙向密封、樣品壓力維持與轉移處理等深海關鍵技術，解決了深淵水體採樣面臨的樣品保壓困難、氣體組分容易散失等難點。

浙江大學機械工程學院副教授吳世軍：取樣器主要由三部分組成，首先是這兩個氣密保壓取樣筒，中間是一個取樣閥以及它的控制部分，取樣器主要的一個關鍵技術就是要實現超高壓下的雙向密封。取樣器下去之前，裡面是空的，不希望海里的那些雜物進來，這是要實現一個方向的密封。第二個方向密封是我們取完樣之後，裡面是高壓的樣品，然後不希望這個樣品漏掉，這是另外一個方向密封。

那麼這個雙向密封是如何實現呢？科學家告訴我們，氣密取樣器可根據已安裝的程序進行自動取樣，著陸器到達和離開海底的時間則是設置取樣器閥門打關和關閉的依據。

浙江大學機械工程學院副教授吳世軍：取樣器是需要壓縮氣體來保持這個樣品的壓力，我們在下海之前，通過計算，需要預先在氣腔充一部分氣體，這個氣體壓力大約等於海底壓力的1/10，取樣的時候，海水進來之後，它會進一步壓縮預充的氣體，然後當氣體的壓力，還有裡面樣品的壓力，跟海水壓力相等的時候，這個取樣過程就完成了。然後將取樣器拿上來的過程中，外面海水壓力是不斷變小的，但通過壓縮氣體可以維持取樣器裡面樣品的壓力等於海底的壓力。

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文章來源：中央電視台。

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