“阿尔忒弥斯计划”为在月球上测试那些对火星任务至关重要的发电技术及相关操作流程提供了机会，从而有助于降低后续火星任务的风险。

核裂变能是载人火星任务初期阶段最理想的表面能源供应技术。因为核裂变能能够很好地适应火星表面的各种环境和大气条件；同时，考虑到人类在火星上活动所需的能量需求，核裂变能在质量与体积方面也具有显著优势。

美国宇航局选定核裂变能作为载人火星任务中主要的地面能源供应技术。这一决定是在2024年架构概念审查过程中做出的，它将为“从月球到火星”的人类迁徙计划的实施提供重要指导。

作为2023年架构概念的一部分，NASA开始着手确定那些对未来人类火星任务至关重要的决策。其中，选择合适的火星表面发电技术被视为一项关键决策，因为这一选择会影响到NASA的火星探索计划，同时也会对NASA在月球上的发展规划产生重要影响。

美国宇航局在评估过程中，让许多内部利益相关方参与进来，其中包括技术开发人员和安全专家。 ESDMD负责协调来自宇航局各个任务管理部门和技术机构的相关数据与专业意见，将这些信息汇总成一份决策方案，经过审查后，大家同意采用核裂变技术作为火星表面的主要能源供应方式。

选择核裂变作为人类登陆火星时的主要能源生产方式，虽然为相关技术的发展提供了方向，但并不决定技术研发所需的资金投入，也不排除使用其他能在火星表面运行的能源技术。这一选择仅为后续的架构设计提供了初步依据，有助于进一步确定相关的架构设计和实施方案。

NASA选择核能技术而非其他能源技术，主要是为了降低任务失败的风险。在做出这一决定时， NASA对比了多种能源技术，最终决定采用核裂变技术，而不是配备储能装置的太阳能电池板。

虽然太阳能的单位成本可能更低，但核裂变能则更为可靠，更适于火星环境。核裂变能够为各种潜在着陆点提供持续不断的电力供应，而且这种供电方式在全天候条件下都可行，即便在全球性沙尘暴期间也能正常运作。此外，核裂变能在飞船的着陆质量与体积方面也有优势。

太空裂变表面动力系统示意图

当人类探测器抵达火星表面并着陆后，首批登陆火星的探险者必须产生足够的能量，以维持各种系统的正常运行。这些能量是确保他们能在火星表面顺利生活、开展各项任务，并最终返回轨道所必需的。不同任务的能源需求各不相同，这取决于探险者在火星上的停留时间、任务目标，以及各类设备与返回舱的需求。

研究表明，如果让两名宇航员执行这项任务，他们在加压舱内生活，从事科学研究并探索火星表面，任务持续时间不超过30天的话，那么至少需要10千瓦的电力供应。这其中还包括为小型载人登月飞船提供动力所需的能源。在贸易空间的另一端，由于需要更多的人员配备、更长的作业时间、以及推进剂的制造等需求，因此需要数百千瓦的电力供应。而某些应用场景则可能需要兆瓦级的电力系统来满足需求。无论采用何种架构，火星表面的发电技术都必须能够应对以下各种独特的环境和运行挑战：

一、环境挑战

沙尘暴

火星上的沙尘暴既有局部的沙尘旋风，也有持续数周或数月的区域性乃至全球性风暴。在火星上，局部沙尘现象有可能在短短几天内发展成全球性的沙尘灾害。大气中的尘埃会减少照射到太阳能电池板上的阳光强度，从而影响那些依赖直线视距来传输能量的技术的效率，比如能量传输技术。此外，沉积在太阳能电池板上的尘埃也会降低其性能。当尘埃积累到一定程度时，太阳能电池板就无法再产生足够的电能来维持设备的正常运行了。这种情况对那些依靠太阳能驱动的探测器来说无疑是致命的，比如“机遇号”探测车就因此而无法继续执行任务。

可利用的太阳能减少

火星任务必须考虑到太阳辐射强度的降低问题——即照射到某一区域的太阳能数量最多只有地球上的45%，而且这一数值会因地点和季节的不同而有所变化。火星上的昼夜周期也因地点和季节而异：在纬度较高的地区，一天大约有25小时处于光照状态，而实际有光照的时间则只有这段时间的一半左右。因此，火星上的太阳能发电系统必须能够在白天为各种设备提供动力，同时为电池充电，以便在太阳能量不足的夜晚期间仍能维持各项任务的正常进行。

重力荷载与风荷载

虽然火星的重力只有地球的三分之一左右，但其重力仍约为月球的两倍。因此，那些为在月球上使用而设计的巨大太阳能电池板结构，在火星上使用时需要具备更高的结构强度。此外，对于那些规模巨大或呈垂直方向的太阳能电池板来说，还必须考虑到火星上的风速问题。虽然风速是设计时需要考虑的因素，但仅考虑风速因素是不够的。可作为主要的动力来源。

二、运营挑战

自主/远程电力系统运行方式

为了降低着陆风险，许多设计方案都主张让载人登月飞船在着陆时携带空油箱或仅装了部分燃料的油箱。此时，要么从地球运送燃料补充，要么利用火星上的资源来制造燃料。无论采用哪种方式，都需要有足够的能量来处理燃料的储存、运输和制造过程。根据各种因素的影响（比如是使用从地球运送来的燃料还是利用火星上的资源制造燃料，以及发射窗口的时间），相关能源系统可能需要提前多年进行准备，以便能够支持多次载人任务的需要。

有限的维修选项

地球与火星之间的巨大距离意味着，除非备用部件或维修工具事先被存放在火星上或靠近火星的地方，否则很难及时获得所需的替换部件或维修工具。表面动力系统的可靠性、冗余性以及可维修性，都会对整个系统的设计产生重要影响。为了确保宇航员的安全，表面动力系统必须具备足够的坚固性，要有内置的冗余机制，同时其设计中也要考虑到维护和保养的问题。

羽流与表面的相互作用

下降和上升过程中产生的气流与表面之间的相互作用，是月球着陆时面临的常见挑战；而在火星上，这种挑战因火星大气的影响而更加严重。因此，必须采取措施保护电源系统，使其免受着陆器在降落或离开时产生的碎片的损害。这可能需要更复杂的电力分配系统（比如自动铺设的电缆），或者具备更好的移动能力。此外，气流与表面的相互作用还会使灰尘扬起，这些灰尘可能会覆盖距离着陆点相当远的区域内的太阳能电池板。

行星保护限制条款

行星保护是指“通过各种政策和措施来保护当前及未来的科学研究活动。具体来说，就是通过限制探索活动对其他太阳系天体的生物污染及相关分子污染，从而保护这些天体；同时，也要防止返回地球的航天器带来有害的生物污染，这一理念与《外层空间条约》中的规定是一致的。”美国宇航局正在为人类登陆火星的任务制定相应的行星保护准则；用于火星探测的能源生产技术必须符合这些准则要求。

三、火星表面发电技术应用领域

尽管火星上存在诸多挑战，但仍有许多具有前景的发电技术可供使用或正在研发中。在NASA考虑的各种发电方案中，核能和太阳能这两种技术被认为最具潜力。

核能

高能量密度的核能技术——无论是类似“好奇号”/“毅力号”探测器所使用的放射性同位素动力系统，还是核裂变动力系统——都不受昼夜循环以及太阳能供应不足的影响。此外，核能系统也便于被安装在空间有限的航天器中。虽然目前的放射性同位素动力系统所能提供的功率只有几百瓦特，但它们仍可以满足那些对功率需求较低的应用场景。而对于那些需要更高功率的情况（比如为宇航员提供生命保障所需的能源，或制造用于上升阶段的推进剂），核裂变动力系统则能够轻松满足这些需求。

太阳能发电

如果能够解决灰尘堆积以及昼夜循环带来的挑战，那么利用太阳能发电是完全可行的。为了清除太阳能板上的积尘，NASA可以采用机器人清扫装置、加压气体、机械倾斜装置，或是电磁/压电式除尘方式来进行清理。不过，即便清除了表面的灰尘，那些因长时间风暴而悬浮在空气中的灰尘仍然会阻碍太阳能的利用。夜间用电需求则要求有能源储存装置，同时还需要在白天进行充电并分配电能。此外，NASA还必须考虑一些特殊的运营问题，比如如何防止辐射干扰，以及如何处理大规模太阳能发电系统所带来的负荷问题。

燃料电池

通过化学反应来产生电能的燃料电池，常常被用作火星探测任务的理想能源选择。在这种方案中，所需的化学燃料可以从地球运送过去，或者直接在火星上就地生产。不过，这种方案的缺点在于：它需要大量的反应物才能正常运作；而且，与燃料电池所能提供的能量相比，为了在火星上制造出足够的反应物而所需的能量要大得多。

地热能

有提议称，地热能可以用于未来的火星定居点。不过，NASA目前关于火星上地热资源的资料还很有限，而且尚未开发出适用于火星的地热利用技术。此外，要利用地热能，就需要使用复杂的设备，而这种设备的使用范围也受到限制，只能在那些容易获取地热资源的地区进行。另外，为了开采地热能，还需要有能够自主钻探并移动表土的机器人设备，而这些设备同样需要独立的能源供应。因此，对于早期的火星探索任务来说，利用地热能来获取能源的方案并不太实用。

风力发电

虽然有人提出利用风力涡轮机作为火星上的发电技术，但分析表明，火星上的风速不足以支持稳定的电力生产。虽然风能是火星表面发电方式中的一个重要考虑因素，但它并不足以满足人类首次登陆火星时的电力需求。

生物发电

生物发电利用微生物将有机原料直接转化为热能或其他可利用的资源，比如甲烷，进而用来发电。这项技术被视为在火星上实现发电的一种可行方式，不过，由于火星上的特殊环境限制，这一技术的应用会面临诸多挑战。

四、月球：探索火星的试验场

月球距离地球较近，这为测试各种火星表面发电技术提供了理想的条件，因为这样可以降低技术失败带来的风险。为了确保这些技术能够被成功应用到火星上，必须考虑到火星上的各种环境差异，比如大气层、更高的重力、更短的昼夜周期、风力影响、沙尘暴、通信延迟等问题。

虽然在月球上测试这些技术会增加成本和复杂性，但通过在“阿尔忒弥斯计划”期间进行相关测试，可以大大降低未来载人火星任务的风险。同时，这些测试也有助于为火星上的电力系统运行积累经验，从而最终降低在火星上建立电力系统的成本。

由于核裂变技术在电力供应和可靠性方面具有显著优势， NASA决定将其作为首次载人火星任务中主要的地面发电技术。这一决定为人类首次登陆火星的任务奠定了重要基础，同时也有助于在月球任务期间提前考虑火星上的能源需求问题。