美國宇航局行星際空間飛行的“核燃料危機” _行星

卡西尼-惠更斯行星際探測器采用了放射性同位素熱電機

進行長距離行星際飛行或者飛出太陽系目前需要放射性同位素熱電機

旅行者1號和2號探測器由于采用了核動力裝置才能飛行至太陽系邊緣

處于整流罩內的卡西尼-惠更斯行星際探測器

先驅者系列探測器也采用了核動力裝置

安裝在卡西尼-惠更斯行星際探測器的GPHS-RTG型號放射性同位素熱電機

處于地球軌道上的空間飛行任務采用了更多的太陽能發(fā)電技術

美國宇航局新地平線冥王星探測器也配備了GPHS-RTG型號放射性同位素熱電機

朱諾木星探測器采用了三塊10米長的太陽能電池板
美國國家航空航天局于1977年發(fā)射的旅行者1號和2號探測器目前仍然與地球保持聯(lián)系，這兩艘冷戰(zhàn)時期星際宇宙飛船目前正位于太陽系的邊緣，但科學家們發(fā)現(xiàn)探測器上搭載的钚238燃料貯備量正在降低，按預定計劃這些钚電池可工作到2025年，因此科學家們思考著未來旅行者系列探測器飛出太陽系后將使用何種能源向地球發(fā)射信號。
目前旅行者1號探測器與地球的距離超過了180億公里，正在穿過太陽系與星際空間的邊緣地帶，如果探測器上搭載的儀器屆時都還能正常工作，那么我們將對完全未接觸過的星際空間有了第一次認識，在溫度極為寒冷的星際空間，沒有能量供應就意味著死寂，可以預見旅行者1號探測器將在最近幾年進入星際空間，這也是空間飛行三十多年后達到的又一次任務高潮。
旅行者系列探測器能進行如此長距離的不間斷空間飛行，歸功于钚238核燃料的穩(wěn)定供能，使其具有一顆“溫暖的心” 。這種核燃料是核武器生產過程的副產品，衰變過程產生的能量可轉換為電力為星際飛行提供能源，噴氣推進實驗室的工程師預計旅行者系列探測器的核燃料還能工作十年，之后我們將永遠失去與這兩艘星際飛船的聯(lián)系。
自20世紀60年代以來，在多次長距離空間飛行探索任務中，钚同位素核燃料發(fā)揮關鍵性的作用，傳統(tǒng)觀點上認為太陽能電池板也是一種空間飛行的能量來源，但如果距離太陽過于遙遠，電池板接受到太陽光的能量就越低。比如目前仍然在土星軌道上工作的卡西尼行星際探測器就使用了，GPHS-RTG型號放射性同位素熱電機，執(zhí)行了金星、木星、小行星等飛掠探測任務，并發(fā)現(xiàn)了土星衛(wèi)星上的乙烷湖泊和冰間歇泉等驚人天體特征。
旅行者系列探測器使用的核動力裝置為MHW-RTG放射性同位素熱電機，而先驅者（先鋒）系列探測器也使用了SNAP-19核動力裝置，此外海盜1號和2號探測器也使用了該裝置。當然也有許多探測計劃失敗，目前钚238的生產已經停止了許多年，國際上空間機構的存儲量都很低，缺少新的生產動力，因此如果沒有革命性的持久空間動力裝置的問世，那么未來一定階段內對太陽系外層空間的探索將陷入停頓。
關鍵問題是生產钚238工藝不簡單，價格也不便宜，重新啟動整條生產線需要花費數(shù)年時間，成本要超過1億美元，雖然美國國家航空航天局和美國能源部對此非常熱衷，而國會可能并不會提供這筆資金。但可能還存在其他更好的辦法可以為長距離空間飛行提供核燃料供應。在美國國家航空航天局三月份召開的會議上，空間核動力研究中心的物理學家就提出了一種前衛(wèi)的方法，可以邀請所有締約方，加入商業(yè)化的運營方式，可以為未來行星際空間飛行提供更清潔、更便宜的核燃料，不僅可以滿足美國國家航空航天局的需要，也可以產生利潤。
通過商業(yè)化運營的钚238生產可能會危及公共安全，批評人士認為空間核動力研究中心的想法更容易對公眾健康構成危害，因為钚238在被吞食或者被吸入人體后可危及生命，而且钚是一種毒性很強的超鈾元素，在衰變過程中會放射出α粒子，產生的熱量是放射性同位素熱電機的能量來源。重啟钚238對美國國家航空航天局而言具有非常大的意義，幾乎在所有長距離空間飛行任務發(fā)揮重要作用，該物質的衰變速度很慢，半衰期約為87年，只需要搭載幾公斤重的钚238燃料就可以為探測器提供源源不斷的能量。
在钚238的同位素中，钚239是一種重要的武器級核燃料，可以用于制造核武器，而且半衰期長達兩萬多年，隨著1988年美國封閉部分核反應堆后停止了相關核燃料的生產，為了填補這一空缺，美國政府在2009年向俄羅斯購買了钚238，更為不可思議的是，俄羅斯的钚238的儲備量也快用完了，這使得讓人懷疑是否有必要進行新的钚238合同的簽訂。所以，對于美國國家航空航天局和美國能源部而言，希望恢復钚238核燃料的生產。
但啟動核燃料生產設施需要的資金存在問題，美國國家航空航天局已經同意提供1.4億美元重啟钚238的生產線，具體地址可能位于田納西州的橡樹嶺美國國家實驗室，成本可控制在1.5億美元左右。很明顯制造钚238是非常昂貴的生產，不僅要建設功能強大的核反應堆，還需要從裂變產物中將钚238分離出來，但空間核燃料研究所認為可以采用新的生產線和工藝，使得钚238更便宜更簡單地被生產出來，但提取钚238的過程還是相當繁瑣，需要成千上萬次的提純，才能獲得美國國家航空航天局長距離行星際空間飛行任務所需的核燃料。
【美國宇航局行星際空間飛行的“核燃料危機”】美國國家空間核動力研究中心已經設計出相應的钚239核燃料生產線，并細化后續(xù)的分離步驟，每年可創(chuàng)造1.5公斤的钚238.由于钚238是劇毒的，一旦發(fā)生生產事故就會散布到大氣層中，比如在1964年美國海軍導航衛(wèi)星故障進入大氣層后，將攜帶的一公斤钚238散布在大氣中，對試驗場附近人群的影響是存在的，可能高于正常值的數(shù)倍。
由于钚238是劇毒的，一旦發(fā)生生產事故就會散布到大氣層中，比如在1964年美國海軍導航衛(wèi)星故障進入大氣層后，將攜帶的一公斤钚238散布在大氣中，對試驗場附近人群的影響是存在的，可能高于正常值的數(shù)倍。盡管裝載钚238核燃料的容器經過了重新設計，但卡西尼-惠更斯行星際探測器在2006年飛掠地球時依然引發(fā)了較為廣泛的抗議，擔心探測器上的核燃料對地球大氣構成影響，因而重啟钚238的生產線被認為是“非常可怕的可能” 。
雖然钚238不能用來生產核武器，但是镎-239卻可以，這是一種武器級的核材料，在快中子的轟擊下產生鏈式反應。然而，未來的太陽能電池板技術是否能填補這一空白呢？根據平方反比定律，在冥王星軌道上的探測器需要2000平方米的電池板陣列才能和地球軌道上一塊一平米的太陽能電池板產生相同的能量。但美國國家航空航天局在2011年8月發(fā)射的朱諾木星探測器就使用了太陽能，該探測器有三塊10米長的太陽能電池板作用能量來源。因此，美國宇航局格倫研究中心和賓夕法尼亞大學應用研究實驗室科學家邁克爾·保羅真在研究新型發(fā)動機技術，可集成陽關在太陽系遙遠的黑暗空間探索。

騰訊科學訊（Everett/編譯）