NASA外太阳系探测,面临能源危机

来源:果壳网 | 发布: | 发布时间:2013-12-18,星期三 | 阅读:2,133

12月14日成功登月的嫦娥3号体内,有一块放射性的钚238,它在衰变时产生的热量,供嫦娥3号在月面上漫长的黑夜中保持体温。这种放射性同位素,同样还为NASA的诸多深空探测器提供能量。问题在于,它的储备已经越来越少,NASA的深空探测面临能源危机。图为嫦娥3号着陆器拍摄的玉兔月球车。图片来源:新华网

(文/ Anne-Marie Corley)距离地球超过180亿千米的“旅行者”1号,正在穿越太阳系的边界。如果它的仪器是正确的,那这个探测器就终于进入了一片未知领域——冰冷而浩瀚的星际空间。已经持续35年的旅程,在这一刻抵达了顶点。

NASA的这个最遥远探测器长寿的秘诀在于,它有一颗由钚238做成的温暖的心。作为制造核武器的副产物,钚238衰变时会释放出热量,热会被转换成电,驱动“旅行者”上的仪器。工程师预计,未来大约10年的时间里,这个探测器还会继续向地球发回探测结果,然后才会迷失于茫茫太空。

自20世纪60年代以来,钚的这种同位素已经在长时间太空任务中发挥了至关重要的作用,主要用于那些距离太阳过远、太阳能电池板无法工作的探测器。伽利略木星任务、“先驱者”和“旅行者”探测器都仰仗于它,发现土星卫星上乙烷湖泊、冰间歇泉以及其他奇观的“卡西尼”探测器也是如此。

然而,尽管有许多成功的案例,这一类型的探测任务可能很快就会成为过去时。钚238的生产早在几十年前就已停止,NASA的钚储备正在不断走低。如果没有新的补给,我们对外太阳系的探索,也许很快就会嘎然而止。

问题是,生产钚238既不简单也不便宜,重启生产线需要数年的时间,将耗资约1亿美元。虽然NASA和美国能源部热衷于此,但美国国会至今拒绝为此提供必要的资金。

不过,兴许还有更好的解决办法。在NASA于2013年3月召开的一次会议上,来自美国空间核研究中心(CSNR)的物理学家提出了一种全新的方法,据称可以让所有人都满意。这一方法更快、更清洁,也更廉价,可以在商业模式下建立一条生产线,不仅满足NASA的需求,还可以让资本从中获益。

那么,该怎么做呢?如CSNR所建议的,把钚238的生产商业化可以减轻美国国库的负担,但批评者担心,这可能会危及安全。钚是已知最毒的物质之一 ——其同位素是强劲的α粒子发射源,如果吸入将会致命。反对者认为,把重启生产需要的时间和资金用于开发更安全的替代品会更好。因此,这是和这项冷战技术说再见,然后去设计新的更清洁太空能源的绝佳机会吗?

旅行者1号已经飞行了35年,它的动力来自于一块以钚238为核心的核电池。然而,冷战时期遗留下来的这种核燃料,如今已经所剩不多。NASA的外太阳系探测,面临能源危机。

重启生产线?

钚238之所以能在NASA几乎所有长时间空间任务中发挥关键作用,这是有原因的:它会发射α粒子从而产生热量,半衰期约为87年,因此它能够缓慢地衰变。衰变的钚被密封在一个装置中,被称为放射性同位素热电发生器,通过加热一个热电偶来发电。每克钚238能产生约0.5瓦的功率。平均而言,NASA每年需要用几千克的该种同位素,来为不同的探测器提供能源。

钚238不会自然形成。和它的武器级表亲钚239一样,它最初是在生产核弹材料的反应堆中被制造出来的,但当这些设施在1988年被关闭时,美国也随即停止了钚238的生产。为了填补美国国内的空白,2009年前美国一直在从俄罗斯购买钚238,直到因合同纠纷终止。由于俄罗斯的储备现在也所剩无几,任何新的协议都将很难达成。

因此,美国政府必须决定是否恢复生产。据美国国家研究委员会2009年的报告,NASA已经获得约5千克的钚238,这也许能维持到2020年。美国能源部的官员说,如果他们现在获得许可,那么到2018年,每年可制造2千克的钚238——正好填补NASA所需的空缺。但是所需的资金来之不易。NASA已经同意共同承担费用,并拨款约1400万美元用于研究重启生产线的成本——这条生产线最有可能被放置在美国田纳西州橡树岭国家实验室。然而,美国国家研究委员会的一些成员认为,成本最终可能会攀升至1.5亿美元,美国国会似乎不愿直接为美国能源部提供任何资金。

显然,生产钚238是十分昂贵的。生产它的传统方式需要在一个强大的核反应器内放置成批的镎237,用中子照射它长达一年的时间。然后,样品必须经过一系列的纯化步骤,把钚238从其他裂变产物中分离出来。

然而,在2013年3月召开的NASA创新先进概念(NIAC)研讨会上,CSNR的史蒂文·豪(Steven Howe)提出了一个更简单且更廉价制造钚238的可能方法。诀窍在于,使用机械供料管线,也就是围绕反应堆堆芯的蛇形管。沿着这条管道,装有几克镎237的小胶囊会不断往里推送,它们每一个都只会在反应器中逗留几天时间。当它们从另一端出来的时候,钚238会被提取,剩余的镎237则会再次送入这一管线。每次约有0.01%的镎发生变化,因此这个循环过程需要重复数千次,才能生产出NASA所需的几千克重的钚238。

这项技术具有一些显著的优点,例如较短的照射时间产生的裂变产物会少得多。这简化了后续化学分离的步骤,并减少了放射性废弃物的数量。此外,它可以用在小型反应堆上,这要比用老方法来运转强大的国家实验室设施廉价得多。豪甚至设想在商业生产线上来运营,因此NASA和美国能源部只需要购买最终的产品,而不必为整个生产过程买单。

研究这个概念的CSNR团队已经获得了来自NIAC的10万美元资助,他们还提交了一份提案来建造一条原型供料管线,演示他们能够机械地在其中推送胶囊并进行后续的分离步骤。豪相信,他们只需要约5000万美元的成本,用3年的时间就能启动并运行这一过程,比重启常规生产所需的成本减少一半,每年可制造约1.5千克的钚238。

虽然该团队仍在确定最佳的照射时间,但比起一年两次成批制造几千克的模式,连续运作这一过程应该有助于控制成本和所需设施的大小。豪说,如果每千克钚238报价600万美元——低于俄罗斯最新的要价,那么这一生产线对于私人企业也是有效益的。“和商业化太空旅行一样,我们正在做的是商业化的钚生产,”他说。

为NASA的“好奇号”火星车提供能源的,就是安装在它“屁股”上的这个以钚238为核心的电池。图片来源:blogspot.com

更换新能源

无论豪的技术能否节省资金甚至能否实现,生命体吸入钚可不是闹着玩儿的。钚238有剧毒,运转期间或之后的一次事故,有可能会把它们释放到大气中。例如,1964年美国海军的导航卫星再入大气层解体,在地球周围播撒了1千克的钚238,大约是大气中核武器试验释放量的2倍。虽然钚容器经重新设计以便在再入过程中不被破坏,但2006年卡西尼探测器的近地飞掠仍引发了公众大范围的抗议。总部设在美国缅因州的反太空武器及核能全球网络的布鲁斯·加格农(Bruce Gagnon)说,重启钚生产开启了“一种非常可怕的可能性”。“这清晰地表明,核工业把太空视为一个新的市场,”他说,“就像在玩俄罗斯轮盘赌。”加格农还担心商业生产线的前景。“引入利润激励的时候,你就会开始偷工减料,”他说。

再就是对核扩散和政治资本的担忧。虽然钚238不能用来制造核武器,但镎237完全是另一回事。它是核武级的材料:在快中子的轰击下,它可以维持一个链式反应而不发生不稳定热衰减。总部设在美国马萨诸塞州剑桥的忧思科学家联盟的埃德温·莱曼(Edwin Lyman)相信,鉴于这些安全问题,在空间应用中应该优先考虑非核能发生系统。“替代品需要被充分研究,”他说,“如果美国继续这一重启计划,我们将更加难以劝阻其他国家仿效,他们会决定自给钚238的供应。”

太阳光可以帮助填补这个空白吗?遵照平方反比定律,阳光的强度会随着距离的增加而降低,因此把太阳能驱动的航天器发射到外行星看上去是行不通的。例如,在冥王星的轨道上,一个面积为2,000平方米的太阳能电池阵列,才能产生地球轨道上1平方米的阵列所能产生的相同电量。然而,2011年8月NASA发射的朱诺探测器,是第一个使用太阳能而非钚的木星任务。“朱诺”依靠3块10米长的太阳能电池板来收集维持其运转所需的能源。此外,根据2007年NASA的一份报告,去往木星之外且以太阳能为动力的任务,并非毫无可能。

NASA格伦研究中心的詹姆斯·芬坎农(James Fincannon)说,我们需要的是可以应对外太阳系极端条件的新型太阳能电池。他说,轻型、高效太阳能电池的开发正在取得长足进步。如果这些阵列的成本和质量可以进一步降低,如果探测器的电力需求可以降低到300瓦以下——大约是伽利略探测器的一半——的话,芬坎农认为,一个由250平方米的太阳能阵列驱动的探测器,可以在远到天王星的距离上工作。加格农同意这一观点:“多年来,我们一直认为,即使在深空,太阳能也能奏效。”

就算在芬坎农的太阳能阵列无法工作的太阳系幽暗深处,仍有可以不使用钚来驱动探测器的方法。在豪讨论他的钚生产工艺的NIAC研讨会上,美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室的迈克尔·保罗(Michael Paul)描述了一种新的引擎,可以在仅有少量阳光能够穿透且有着浓密云层的行星表面,为探测器提供能源。

以金星为例。保罗提出,把锂燃料和这颗行星大气中的二氧化碳混合并燃烧,来为斯特林发动机——使用温差来驱动连接发电机活塞的热泵——提供热量。他说,该系统可以工作在很高的功率水平上,经过调整能够在土卫六、火星,甚至在月球南极永久阴影区中工作。保罗认为,经过进一步的研发,到2020年,此项技术就可以准备好发射了。他说:“我把这套能源系统视为解决钚短缺的全新机会。”

保罗承认,锂驱动着陆器的寿命远不及钚驱动所能达到的数十年。“50年的工作已经表明,在寿命问题上,钚还不存在替代品,”美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的拉尔夫·麦克纳特(Ralph McNutt)说。但他也补充说:“在允许的范围内,有放射性能源替代品的话,我们应该采用后者”。芬坎农对此表示同意,他说:“找到替代能源始终是一件好事。”

此外,注资开发轻型太阳能电池或者更高效斯特林发动机还能惠及地球。工程师已经在探索把金属粉末变成发动机燃料的方法,保罗认为他的技术还有助于水下探测任务。同样的情况,在钚238身上就不会发生。比如,在用于驱动心脏起搏器方面,对安全和健康的担忧就会令它不受欢迎。

那么,NASA将何去何从呢?豪仍然决心站在钚一边,最近他向NASA提交了他的方案。就太空探索而言,这一能源困局还没有结束。

编译自:《新科学家》,Space fuel crisis: NASA confronts the plutonium pinch

 

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云动力

对于上方有类似金星浓密云层的着陆器而言,太阳能将无法适用。对于美国宾夕法尼亚州立大学的迈克尔·保罗(Michael Paul)和他的团队所构思的发电机来说,那里正是它的用武之地。保罗的团队提出,把锂和从金星大气中抽入的二氧化碳一同燃烧,来驱动金星着陆器——省去了同时携带燃料和氧化剂的不便。

燃烧产生的热量会推动一个小型涡轮机或斯特林发动机,它会为着陆器的电子设备供电。但在金星高温的表面,最大的挑战是保持着陆器电子设备的低温。保罗预测,发电机五分之四的输出功率将用来为探测器的电子设备降温。之前的金星任务,在着陆之后都不超过2个小时,电池就失效了。保罗的计算显示,200千克的锂足以让传感器运转一周。

他相信,往锂中添加金星上的二氧化碳,是给金星着陆器提供能源的唯一出路。为了给为期一周的任务提供电力并致冷,将需要850千克的电池,或者50个由钚驱动的发电机。保罗说,就算是NASA巨大的卡西尼号探测器——“所有旗舰任务中的旗舰”——也没有这么多能量。

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