地球和火星上的风力机发电功率对比(红色:地球,黑色:火星)(图片来源:参考文献4)
2010年秋天,丹麦奥胡斯大学(Aarhus University)的科研人员在风洞“模拟器二号”(Simulator II)中模拟火星大气条件下工作的小型风力发电机,研究结果肯定了在火星上使用风能的可能性。
奥胡斯大学的风洞Simulator II(左图),小型实验风力机(右图)(图片来源:参考文献2)
其实,早在上世纪80年代,马里兰大学(University of Maryland)的科学家亨利·哈斯拉赫(Henry W Haslach)就论证了人类移民火星时利用风能的可能性。为提高火星上风能的输出功率,他提出了一个大胆而有趣的想法——将货运飞船停靠在火星的环形山边缘,之后在飞船的桅杆上安装一台垂直轴风力发电机。由于在风吹过环形山时,风速会在边缘位置大幅提高,同时会形成高速脱落的漩涡,将沙尘卷起,这使得空气密度也略微增大,能在最大程度上弥补风功率的不足。说不定,以后的火星车在面临电量不足的情况时,也会采用相同的策略,停靠在环形山外围,通过风力发电进行充电。
风绕过环形山形成的尾迹(左图)安装的垂直轴风力发电机(右图)(图片来源:参考文献5)
想要利用火星上的风力资源给火星车供电,还需要根据当地的风况有针对性地设计适合安装在火星车上的风力发电机。火星的大气密度低,只能通过高风速来补偿发电量的亏损。由于风剪切的作用,距离地面越高,平均风速越大,高空的风能密度是低空风能的十倍至百倍。
受此启发,1999年,美国宾夕法尼亚大学的马修·里奇(Matthew D. Lich)和NASA格伦研究中心的博士生拉里·维特纳(Larry Viterna)提出了一种火星风能利用的概念机,即使用氢气球与系锚系统将风力机悬浮在高空中,从根本上解决火星风力发电性能不足的问题。此后,麻省理工学院(MIT)的科学家联合美国奥泰罗能源公司(Altaeros Energies)的工程师借鉴了这种形式,在地球上验证了这种高空风力发电机的可行性。