Cool! NASA发明可以在火星上使用的摩擦纳米发电机

【引言】

探索火星是人类长久以来的梦想，迄今为止已有四台探测车成功登陆火星，其中的两台仍在执行任务。电力的生产和管理对于火星车续航、仪器运行以及与地球通讯是至关重要的。而常用的太阳能电池和放射性同位素发电机（RTG）具有一定的局限性。在火星上，频频光顾的沙尘暴不仅会阻挡太阳光入射，还会极大地减少火星表面太阳光强度。厚厚的粉尘覆盖在太阳能电池板上会致使其无法有效工作。季节性的阳光下降和北极地区的低阳光强度也成为限制因素。尽管RTG的输出稳定，但是遭遇爆炸、进入大气层、下降和着陆等极端条件时仍可能造成放射性污染。此外，放射性同位素的制造和使用在世界范围内是违反放射性资源的减排和控制协议的。因此，人类迫切需要可持续稳定的电源系统来弥补当前火星能源发电系统的不足。

尽管电磁发电机是地球上最受欢迎的机械能量收集器，但是这种重量型的发电机极大地限制了火星探测的发射、推进成本以及旅行时间。日益兴起的摩擦电纳米发电机（TENG）具有轻质化和输出功率大的优良特性，这使得其有望成为火星上进行机械能量收集的强有力的替代者。

【成果简介】

近日，NASA研究员Jin-Woo Han（通讯作者）等人利用火星模拟气象室，深入研究了火星上的各种环境因素对TENG输出性能的影响。并根据实验结果，对TENG应用于火星探测的前景给予了合理展望。该成果以“Triboelectric nanogenerator for Mars environment”为题于2017年7月发表于Nano Energy上。

以下是文章的图文解读。

【图文解读】

火星上的环境因素

如表1所示，地球与火星的环境差异可分为以下五个因素。第一，火星的大气压力低于地球；第二，火星大气的主要成分是CO₂；第三，火星气温低于地球气；第四，，火星表面的紫外线强度比地球高出7-8倍；第五，火星上的γ射线辐射强度比地球大约三个数量级。

表1地球和火星环境因素的定量比较

火星模拟气象室

建立火星模拟气象室的目的是在合理的环境条件下分析TENG的输出性能。除了静态性能外，还可以观察到动态环境因素对输出性能造成的实时变化。如图1A所示，该气象室由钟形罐和金属盖组成，TENG安装在悬挂的亚格力板上。固体CO₂和除湿剂被放置在气象室内以模拟火星上的CO₂氛围和极度干燥的环境。将整个气象室放置在绝热包装中以使温度发生整体改变。

由电磁振动器产生的机械能通过机械馈通传递到TENG。TENG上下电极发生持续的接触分离运动，进而产生输出功率。TENG处于接触状态时，上电极与下部的PDMS摩擦起电层相接触，导致顶部聚积大量的正电荷。随着上下两个电极的分离，上电极的正电荷转移到下电极。电荷分布的变化导致上下两电极之间产生电位差（即电压）和电荷流（即电流）。如图1B所示，火星模拟气象室中的TENG的输出特性具有良好的可重复性。在最高输出性能条件下，开路电压（V_OC）的平均值和相对标准偏差值（RSD）分别为130.0 V和0.9％。 峰值短路电流（I_SC）的平均值和RSD分别为7.99 μA和1.5％。

图1. 火星模拟气象室

A) 火星模拟气象室的配置图。

(B) 摩擦纳米发电机的输出开路电压和短路电流。

大气压力和成分的影响

为了区分大气压力与大气成分对TENG输出性能的影响，对四种环境情况进行了测试（图2A）。从测量结果来看，V_OC在较高的压力和CO₂气氛下都较高。地球大气环境（空气，760 Torr）和火星环境（CO₂，8 Torr）中的的平均V_OC 分别为分别为44.0 V和27.9 V，即火星气氛下V_OC降低了37％。如果将TENG封装在CO₂氛围的气象室中，使气象室内的压力保持在760 Torr，此时的输出性能可提高157％。

如图2B，2C所示， V_OC随气压变大而增加，这种变化趋势对于空气和CO₂气氛是一致的，并且对于固定的压力值，CO₂气氛中的V_OC都明显高于空气氛围中的V_OC。当上下电极分离时，正负摩擦电荷通过周围环境发生放电，因此总的摩擦电荷密度降低。电荷弛豫后剩余的摩擦电荷密度是Paschen极限决定的。当气压低至大约10 Torr时，降低的Paschen极限会加速电荷弛豫，从而使剩余电荷密度进一步降低，最终导致V_OC减少。

图2 大气条件对TENG输出性能的影响

（A）不同大气条件下的输出开路电压随时间的变化曲线。

(B) 当大气由空气（黑色）或CO₂（红色）组成时，开路电压随大气压强的变化曲线。

(C) 当大气由二氧化碳组成时，开路电压增加率随大气压强的变化曲线。

温度影响

与地球环境相比，火星气象室未封装的情况时V_OC下降了17％，封装时V_OC下降了11％。 CO₂气氛中的温度依赖性与先前在空气环境中测得的结果并不相同，这意味着TENG对温度的依赖性是由大气成分和大气压强综合影响的结果。从火星探路者测量的时间-温度数据来看，火星上一天的温度变化在197K-261K之间。在这种情况下，未封装的TENG在中午时分有最高的V_OC（25.0 V），午夜时分这一值降到最低（20.2 V）。 相比之下，密封加压条件下的TENG在午夜时分拥有最高的V_OC（117.4 V），中午时段V_OC降到最低（108.9 V）。 总体来看，TENG的输出特性日间变化相对较小，波动在20％以内。这种小幅度的性能变化意味着，TENG具有与太阳能电池板相适应的特性，即夜间性能退化严重。

图3 CO₂气氛中环境温度对TENG的输出性能的影响。

（A）未封装时TENG输出性能对环境温度的依赖。

(B) 封装以后TENG输出性能对环境温度的依赖。

(C) 封装和未封装两种情况下，火星环境中的一天没温度变化情况及预期的TENG输出特性。

紫外线辐射的影响

如图4所示，TENG暴露在紫外线中后，V_OC迅速增加。在辐照期间，V_OC增速逐渐减慢直至饱和，停止照射后V_OC逐渐减少。火星上只有白天有紫外线辐射，我们研究了夜间放电特性，并将其从测量上分为两个阶段。在黑暗条件下，前3000s V_OC降低了30％，然后在接下来的70小时逐渐降低至初始状态。在紫外线照射期间会形成过多的电荷，直到电荷产生速率和放电速率达到平衡为止。这些结果表明，火星表面丰富的紫外线辐射对于提高TENG的输出性能非常有利。V_OC随UV强度和曝光时间增加率的饱和点和达到饱和点所需的时间都增加。

图4. 紫外线辐射对TENG输出性能的影响。

(A) 紫外线辐照前、辐照中、辐照后的输出特性。

(B) 在晴朗的天气情况（红色）和阴暗的天气情况（蓝色）下，通过紫外线辐照后的放电特性。

(C) 反复进行紫外辐照和放电曲线的重复性测试。

(D) 不同紫外线强度和曝光时间下的的输出性能增加率。

γ辐射的影响

在γ射线辐射下， V_OC和I_SC分别增长3.6％和1.9％。与其他环境因素相比，这一变化率并不显著。因此，火星的伽马辐射不是设计TENG所需考虑的重要问题，也不会成为限制因素。

图5. 环境因素对TENG输出性能的影响小结。

(A) 火星和地球上的预期的TENG输出性能。

(B) 火星气象室中的TENG直接驱动的LED，不需要任何存储元件和电路。

【小结】

环境因素对TENG性能的影响如下：

1. CO₂气氛、低温和高强度表面紫外线辐射可以提高TENG的输出性能；
2. 低气压降低TENG的输出性能；
3. γ射线辐射对TENG的性能几乎没有影响。

基于本研究的深入分析，我们有理由畅想：在未来的火星探测中，在阳光充足的白天，太阳能电池是发电的主力，而TENG可以作为备用电源。当遭遇长期的沙尘暴天气时，太阳能电池无法产生足够的电力，此时TENG将取而代之成为主要的电源。这种互补的光伏­-TENG混合系统将为火星探测和人类栖息地持续提供充足的电力。

【文献信息】

文献链接：Triboelectric nanogenerator for Mars environment (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.07.004 )

本文由材料人编辑部新能源小组晴雪整理编译，点我加入材料人编辑部。

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