據(jù)新華社日前消息，俄羅斯國家航天公司發(fā)起研制用激光給在軌衛(wèi)星充電的“軌道核電站”，遭到質(zhì)疑。而事實上，在太空中核能已經(jīng)得到了廣泛的應用，并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游太空的載人飛船，還是各類衛(wèi)星、探測器等無人飛行器，都裝配了不少電子設(shè)備，穩(wěn)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?nèi)粘Ｉ�活中使用的干電池、手機電池等基本一致，能夠持續(xù)供電的時間不長。當電池的電能耗盡時，由于無處充電，航天器便不得不停止工作。我國的“東方紅一號”衛(wèi)星僅在太空中工作了28天，就是受到了電池電量的限制。

現(xiàn)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(zhuǎn)化成電能。隨著太陽能技術(shù)的不斷進步，太陽能帆板的供電效率越來越高，已經(jīng)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(chǎn)生的電能也會越來越少。

其實，太陽發(fā)出光和熱所需的能量，都來自于太陽內(nèi)部的核反應。目前，人類已經(jīng)掌握了利用核反應發(fā)電的技術(shù)，建立了不少核電站，將核能轉(zhuǎn)換為我們?nèi)粘Ｉ�活中所需的電能。在太空中，核能同樣已�?jīng)得到了廣泛的應用，并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(wěn)定的供電外，還要求它體積小、重量輕，能夠在較長的時間內(nèi)可靠工作，不出故障。為了實現(xiàn)這一要求，美國和蘇聯(lián)分別選擇了兩條不同的技術(shù)路線：當時，蘇聯(lián)人將地面核電站使用的核反應堆小型化，裝上了衛(wèi)星，功能強悍。而美國人則更偏愛安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單的同位素熱電池。

同位素熱電池的原理并不復雜，其基本構(gòu)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(fā)的衰變反應產(chǎn)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?qū)⒑巳剂戏懦龅臒徂D(zhuǎn)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制成。當熱電偶兩側(cè)的溫度不一樣時，它就能向外發(fā)電，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。這種由溫差產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象被稱為“塞貝克效應”，是以發(fā)現(xiàn)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(xù)進行，同位素熱電池內(nèi)部和外部的溫差就能持續(xù)存在，從而能通過熱電偶產(chǎn)生穩(wěn)定的電能。

自然界中，能夠產(chǎn)生自發(fā)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(nèi)就會將自己的能量大部分釋放，不能長期支持航天器工作。第二，單位質(zhì)量的核燃料產(chǎn)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(zhí)行任務(wù)的有效載荷。第三，核燃料衰變時輻射出的射線類型要盡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后，钚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。钚238的半衰期有87.7年，每克钚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，钚238在衰變時，產(chǎn)生的輻射幾乎都是熱電偶容易吸收的α射線，而不怎么產(chǎn)生穿透力比較強，又不容易被熱電偶吸收的β射線。這樣，钚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(shè)置額外的屏蔽層，來阻擋β射線對其他設(shè)備的輻射危害。

钚238的來源較少，制備工藝又比較復雜，因此成本高、產(chǎn)量低。目前，美國全國一年僅能生產(chǎn)1.5千克钚238。但由于其優(yōu)良的性質(zhì)，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(wèi)星發(fā)射并成功在軌運行，其使用的同位素熱電池輸出功率僅為2.6瓦。之后，同位素熱電池技術(shù)蓬勃發(fā)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(wù)、墜入土星的“卡西尼”號探測器，環(huán)游木星的“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(jīng)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(fā)電的“余熱”，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(shè)備不被凍壞。在電影《火星救援》的情節(jié)中，主角馬特·達蒙也曾經(jīng)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(yōu)點很多，但也有其固有缺陷。一方面，其電能轉(zhuǎn)換效率較低，一般只有低于10%的輻射能被轉(zhuǎn)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，對于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(lián)在上世紀六十年代也成功設(shè)計制造了同位素熱電池電源，但也許是戰(zhàn)斗民族天生渴望功率更強悍的電源，蘇聯(lián)使用核能電源的航天器幾乎都采用了空間核反應堆�？臻g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(zhì)，產(chǎn)生蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)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(lián)成功研制出了BES-5空間核反應堆，輸出功率為3千瓦，后來又研制了輸出功率為6千瓦的TOPAZ反應堆。

在蘇聯(lián)人成功推進空間核反應堆技術(shù)的同時，一不小心也制造了第一起大規(guī)模太空核事故。BES-5反應堆被大量裝配于“雷達型海洋監(jiān)視衛(wèi)星”(RORSAT)上。這種衛(wèi)星的軌道高度只有250公里，用來給地球做快速“掃描”以監(jiān)視美國海軍的動向。當一顆RORSAT衛(wèi)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公里高的“丟棄軌道”上。在那里，廢棄的核反應堆將始終飄在太空之中，避免對地球造成核污染。而余下的衛(wèi)星本體則會在失去動力后，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(wèi)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(shù)千平方英里范圍內(nèi)的放射性原料。為此，加拿大還和蘇聯(lián)打起了國際官司，要求蘇聯(lián)賠償604.1萬美元的經(jīng)濟損失。在這之后，蘇聯(lián)對RORSAT衛(wèi)星的設(shè)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(tǒng)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(chǎn)能的唯一來源。未來，要發(fā)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(shù)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(chǎn)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后噴出，以強大的氣流推動火箭。此時，液氫并不像現(xiàn)在使用的火箭那樣充當燃料，而只是充當產(chǎn)生動量的推進劑。據(jù)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(xiàn)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(shù)和核技術(shù)結(jié)合在一起的核能電推火箭。這種火箭首先利用核能產(chǎn)生的熱量，將液氫等推進劑電離到等離子體態(tài)。其后，再利用核反應堆發(fā)出的電能，用電磁力加速等離子體，產(chǎn)生巨大的推力。由于等離子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。

(新媒體責編：wb001)