熱核火箭概念設想圖.
同位素熱電池的外部和內部結構.
TOPAZ太空核反應堆.
阿波羅14號在月球表面放置的同位素熱電池.
據新華社日前消息, 俄羅斯國家航天公司發起研製用雷射給在軌衛星充電的 '軌道核電站' , 遭到質疑. 而事實上, 在太空中核能已經得到了廣泛的應用, 並有望在未來成為太空探測的核心動力來源.
化學能, 太陽能 都有局限性
無論是載著宇航員遨遊太空的載人飛船, 還是各類衛星, 探測器等無人飛行器, 都裝配了不少電子設備, 穩定而充足的電能供應是航天器正常工作的基本條件.
早期的航天器, 大都使用化學電池作為電能來源. 這些化學電池的基本原理和我們日常生活中使用的乾電池, 手機電池等基本一致, 能夠持續供電的時間不長. 當電池的電能耗盡時, 由於無處充電, 航天器便不得不停止工作. 我國的 '東方紅一號' 衛星僅在太空中工作了28天, 就是受到了電池電量的限制.
現如今的航天器, 在軌道上工作時大都會伸展出一個形似翅膀的裝置. 比如我們熟知的神舟飛船, 在尾部的推進艙上就有一對這樣的 '翅膀' . 航天器的這個 '翅膀' 是太陽能電池帆板, 它的作用不是用來飛行, 而是用來將太陽能轉化成電能. 隨著太陽能技術的不斷進步, 太陽能帆板的供電效率越來越高, 已經成為了在地球附近工作的航天器的主要電能來源. 雖然太陽能取之不盡, 用之不竭, 但如果要像飛掠冥王星的 '新視野' 號和飛出太陽系的 '旅行者' 號那樣出一趟太空遠門, 太陽能就不足以支撐航天器工作了. 隨著與太陽距離的增加, 太陽光將越來越弱, 太陽能帆板產生的電能也會越來越少.
其實, 太陽發出光和熱所需的能量, 都來自於太陽內部的核反應. 目前, 人類已經掌握了利用核反應發電的技術, 建立了不少核電站, 將核能轉換為我們日常生活中所需的電能. 在太空中, 核能同樣已經得到了廣泛的應用, 並有望在未來成為太空探測的核心動力來源.
同位素熱電池 深空探測的主流電源
航天器對電源的要求, 除了能提供穩定的供電外, 還要求它體積小, 重量輕, 能夠在較長的時間內可靠工作, 不出故障. 為了實現這一要求, 美國和蘇聯分別選擇了兩條不同的技術路線: 當時, 蘇聯人將地面核電站使用的核反應堆小型化, 裝上了衛星, 功能強悍. 而美國人則更偏愛安全可靠, 結構簡單的同位素熱電池.
同位素熱電池的原理並不複雜, 其基本構造和一個煤爐相似. 同位素熱電池一般是圓柱狀, 圓柱中間是核燃料, 能夠通過自發的衰變反應產生熱量, 像是一塊塊正在燃燒的蜂窩煤. 而同位素熱電池之所以能夠將核燃料放出的熱轉換成電能, 是因為包裹核燃料的電池外壁不一般. 這種被稱為 '熱電偶' 的外壁裝置, 由一些特殊的半導體材料製成. 當熱電偶兩側的溫度不一樣時, 它就能向外發電, 將熱能轉換為電能. 這種由溫差產生電壓的現象被稱為 '塞貝克效應' , 是以發現它的德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克命名的. 隨著核燃料的衰變持續進行, 同位素熱電池內部和外部的溫差就能持續存在, 從而能通過熱電偶產生穩定的電能.
自然界中, 能夠產生自發衰變的同位素有很多, 究竟選擇哪一種來當作同位素熱電池的核燃料也有著一些講究. 第一, 這種元素的衰變速度不能太快. 衰變太快的元素, 在短時間內就會將自己的能量大部分釋放, 不能長期支援航天器工作. 第二, 單位質量的核燃料產生的能量必須足夠多, 這樣航天器只需攜帶少量核燃料就能滿足需要, 從而可以將更多的重量用來搭載執行任務的有效載荷. 第三, 核燃料衰變時輻射出的射線類型要儘可能的容易被熱電偶吸收.
科學家們按照這三條標準篩選一番後, 鈈238脫穎而出, 成為目前航天同位素熱電池使用最多的核燃料. 鈈238的半衰期有87.7年, 每克鈈238釋放能量的功率為0.54瓦, 能夠滿足前兩條要求. 更難能可貴的是, 鈈238在衰變時, 產生的輻射幾乎都是熱電偶容易吸收的α射線, 而不怎麼產生穿透力比較強, 又不容易被熱電偶吸收的β射線. 這樣, 鈈238在衰變時的輻射幾乎都能被熱電偶本身吸收, 從而不用在RTG外部設置額外的屏蔽層, 來阻擋β射線對其他設備的輻射危害.
鈈238的來源較少, 製備工藝又比較複雜, 因此成本高, 產量低. 目前, 美國全國一年僅能生產1.5千克鈈238. 但由於其優良的性質, 至今難以找到能全面替代它的其他同位素.
1961年6月29日, 世界上第一顆核動力航天器 '子午儀' 4A軍用導航衛星發射並成功在軌運行, 其使用的同位素熱電池輸出功率僅為2.6瓦. 之後, 同位素熱電池技術蓬勃發展, 除了前文提到的 '新視野' 號和 '旅行者' 號外, 不久前完成任務, 墜入土星的 '卡西尼' 號探測器, 環遊木星的 '伽利略' 號探測器, 著陸火星表面的 '好奇' 號火星車等, 也都使用了同位素熱電池供電. 它們使用的同位素熱電池已經可以輸出幾百瓦到一千瓦左右的功率.
除了供電外, 同位素熱電池有時也會利用發電的 '餘熱' , 做一個真正的 '爐子' 來給太空極寒中的航天器 '供暖' , 使航天器上的儀器設備不被凍壞. 在電影《火星救援》的情節中, 主角馬特·達蒙也曾經冒險挖出一個廢棄的同位素熱電池放在火星車中, 來給自己取暖.
空間核反應堆 大功率航天電源
同位素熱電池雖然優點很多, 但也有其固有缺陷. 一方面, 其電能轉換效率較低, 一般只有低於10%的輻射能被轉換成了電能. 另一方面, 其輸出的最高功率一般在一千瓦左右, 對於電能需求更大的航天器便無能為力了. 而且, 隨著核燃料的消耗, 同位素熱電池的輸出功率還會不斷下降.
蘇聯在上世紀六十年代也成功設計製造了同位素熱電池電源, 但也許是戰鬥民族天生渴望功率更強悍的電源, 蘇聯使用核能電源的航天器幾乎都採用了空間核反應堆. 空間核反應堆像是一個縮小版的核電站, 也是通過核燃料的鏈式裂變反應來加熱物質, 產生蒸汽推動汽輪發電機發電. 它同樣也可以通過插拔控制棒的方式來控制反應堆的運行. 和地面上一般使用水蒸氣推動汽輪機不同, 空間核反應堆使用的一般都是金屬蒸汽的蒸汽機. 上世紀六十年代, 蘇聯成功研製出了BES-5空間核反應堆, 輸出功率為3千瓦, 後來又研製了輸出功率為6千瓦的TOPAZ反應堆.
在蘇聯人成功推進空間核反應堆技術的同時, 一不小心也製造了第一起大規模太空核事故. BES-5反應堆被大量裝配於 '雷達型海洋監視衛星' (RORSAT) 上. 這種衛星的軌道高度只有250公裡, 用來給地球做快速 '掃描' 以監視美國海軍的動向. 當一顆RORSAT衛星即將到達工作壽命時, 它會將其搭載的核反應堆彈射到950公裡高的 '丟棄軌道' 上. 在那裡, 廢棄的核反應堆將始終飄在太空之中, 避免對地球造成核汙染. 而餘下的衛星本體則會在失去動力後, 在大氣阻力的作用下墜入地球. 然而, 1978年1月24日, 代號為 '宇宙954' 的一顆失控的RORSAT衛星沒能正常將反應堆彈射到 '丟棄軌道' 上, 而是帶著核反應堆一起落入地球, 將放射性核燃料散布在加拿大的國土上. 加拿大政府不得不動用了大量人力物力, 尋找和清除散布在數千平方英裡範圍內的放射性原料. 為此, 加拿大還和蘇聯打起了國際官司, 要求蘇聯賠償604.1萬美元的經濟損失. 在這之後, 蘇聯對RORSAT衛星的設計進行了改造, 在反應堆上加裝了備用推進裝置, 在主推進裝置失效時仍能讓反應堆正常進入丟棄軌道. 同時, 面對潛在的空間核事故風險, 美國總統卡特簽署命令, 禁止在地球附近工作的美國航天器使用核能.
使用核裂變的核反應堆雖然存在著這樣的風險, 但卻是目前在空間利用核能高效大量產能的唯一來源. 未來, 要發射動力更強大, 飛行性能更強的核動力火箭, 還要依賴空間核反應堆. 目前, 技術上論證的比較充分的核動力火箭方案主要有兩種. 第一種為熱核火箭, 利用核反應堆產生的熱量, 將來自燃料箱的液氫加熱到將近一萬攝氏度的溫度後噴出, 以強大的氣流推動火箭. 此時, 液氫並不像現在使用的火箭那樣充當燃料, 而只是充當產生動量的推進劑. 據測算, 在攜帶相同重量的推進劑時, 這種火箭的運載能力將比現在使用的化學燃料火箭提高一倍. 另外一種更先進有效的核火箭方案, 則是將新興的電推進技術和核技術結合在一起的核能電推火箭. 這種火箭首先利用核能產生的熱量, 將液氫等推進劑電離到電漿體態. 其後, 再利用核反應堆發出的電能, 用電磁力加速電漿體, 產生巨大的推力. 由於電漿體在電磁力的作用下可以加速到極高速度, 甚至接近光速, 因此這種火箭可以很快獲得足夠的動量和能量, 加速到星際旅行所需的速度.
