中国科学技术大学舒歌群教授团队提出火星原位气体热电转化的新思路，火星大气由CO2、N2和Ar等成分组成，其中CO2占比高达95%以上。该工作首次揭示了火星气体出色的热电转化性能，并报道了其在火星独特环境条件下的工作模式，为未来火星探测任务能源系统设计开辟新思路。该成果于4月5日以“In-situ atmospheric thermoelectric conversion on Mars”为题在线发表在知名期刊《Science Bulletin》上。
对于未来火星科考站核堆能源系统，工作介质是二回路热电转换的能量载体，非原位工作介质在火星极端服役环境具有潜在的泄漏问题。为了实现火星可持续能源供应，研究团队从“因地制宜”的思路出发，基于CO2工质优良的热功转化性能基础，开创性提出火星气体资源化利用的热电转化新概念，利用丰富的大气资源解决工质的供应管理问题。
研究表明，亚临界气体循环是火星独特的散热环境和空间能源系统尺寸限制下的有效热电转化模式，大分子、高热稳定性和高比热容的火星气体，能够保障安全的前提下提高功率密度，与氦氙稀有气体相比，效率可提高7.4%～20.0%，功率密度可提高1.0%～14.2%；同时，系统适应火星昼夜温差、气体成分季节性迁移和沙尘气候环境，极端工况能维持40%发电能力，结合原位气体化学特性和冷却热回收可实现热－电－氧一体化供应，在100 kW以上功率量级场景（大规模近地表勘探、火星基地供能），相比光伏发电和热电材料具有突出的轻量化优势。
图1. (a)火星原位气体热电转化示意图；（b）火星原位气体的热力学性质；（c）适合火星原位气体热电转换的工作模式类型
图2. (a) 冷端设计温度对系统效率、功率密度和辐射器比面积的影响；（b）热端温度对效率和部件重量的影响；（c）火星气体成分季节性迁移对系统性能的影响；（d）火星原位气体与氦氙稀有气体热电转化性能对比；（e）全球代表性空间热电转换项目的功率密度和效率分布情况；（f）原位气体热电转换在不同功率量级下的技术经济性评估。
中国科学技术大学热科学和能源工程系硕士研究生杨雨卓为该论文的第一作者，舒歌群教授和石凌峰特任研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院、深空探测实验室等项目的支持。此前，由舒歌群教授牵头，天津大学和中国科学技术大学共同完成的成果“自然工质CO2循环理论与技术”入选了2023年度“中国高等学校十大科技进展”，本研究工作是该成果在深空探测领域的进一步深化和拓展。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.04.013
（工程科学学院、科研部）