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(shí)上，在太空中核能已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并有望在未來成為太空探測(cè)的核心動(dòng)力來源。

化學(xué)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(cè)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(yīng)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(xué)電池作為電能來源。這些化學(xué)電池的基本原理和我們?nèi)粘Ｉ�活中使用的干電池、手機(jī)電池等基本一致，能夠持續(xù)供電的時(shí)間不長。當(dāng)電池的電能耗盡時(shí)，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(hào)”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(shí)大都會(huì)伸展出一個(gè)形似翅膀的裝置。比如我們熟知的神舟飛船，在尾部的推進(jìn)艙上就有一對(duì)這樣的“翅膀”。航天器的這個(gè)“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(jìn)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(hào)和飛出太陽系的“旅行者”號(hào)那樣出一趟太空遠(yuǎn)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(huì)越來越少。

其實(shí)，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(yīng)。目前，人類已經(jīng)掌握了利用核反應(yīng)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(yīng)用，并有望在未來成為太空探測(cè)的核心動(dòng)力來源。

同位素?zé)犭姵?深空探測(cè)的主流電源

航天器對(duì)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(shí)間內(nèi)可靠工作，不出故障。為了實(shí)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(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)人將地面核電站使用的核反應(yīng)堆小型化，裝上了衛(wèi)星，功能強(qiáng)悍。而美國人則更偏愛安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的同位素?zé)犭姵亍?/p>

同位素?zé)犭姵氐脑�理并不�?fù)雜，其基本構(gòu)造和一個(gè)煤爐相似。同位素?zé)犭姵匾话闶菆A柱狀，圓柱中間是核燃料，能夠通過自發(fā)的衰變反應(yīng)產(chǎn)生熱量，像是一塊塊正在燃燒的蜂窩煤。而同位素?zé)犭姵刂�所以能夠�(qū)⒑巳剂戏懦龅臒徂D(zhuǎn)換成電能，是因?yàn)榘�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(dǎo)體材料制成。當(dāng)熱電偶兩側(cè)的溫度不一樣時(shí)，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(yīng)”，是以發(fā)現(xiàn)它的德國物理學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克命名的。隨著核燃料的衰變持續(xù)進(jìn)行，同位素?zé)犭姵貎?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(dāng)作同位素?zé)犭姵氐暮巳剂弦灿兄�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(shí)間內(nèi)就會(huì)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(shí)輻射出的射線類型要盡可能的容易被熱電偶吸收。

科學(xué)家們按照這三條標(biāo)準(zhǔn)篩選一番后，钚238脫穎而出，成為目前航天同位素?zé)犭姵厥褂米疃嗟暮巳剂稀ｎ?38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(shí)，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(qiáng)，又不容易被熱電偶吸收的β射線。這樣，钚238在衰變時(shí)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(duì)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(fù)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(dòng)力航天器“子午儀”4A軍用導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射并成功在軌運(yùn)行，其使用的同位素?zé)犭姵剌敵龉β蕛H為2.6瓦。之后，同位素?zé)犭姵丶夹g(shù)蓬勃發(fā)展，除了前文提到的“新視野”號(hào)和“旅行者”號(hào)外，不久前完成任務(wù)、墜入土星的“卡西尼”號(hào)探測(cè)器，環(huán)游木星的“伽利略”號(hào)探測(cè)器，著陸火星表面的“好奇”號(hào)火星車等，也都使用了同位素?zé)犭姵毓╇姟Ｋ鼈兪褂玫耐�位素�(zé)犭姵匾呀?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?zé)犭姵赜袝r(shí)也會(huì)利用發(fā)電的“余熱”，做一個(gè)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(dá)蒙也曾經(jīng)冒險(xiǎn)挖出一個(gè)廢棄的同位素?zé)犭姵胤旁诨鹦擒囍�，來給自己取暖。

空間核反應(yīng)堆 大功率航天電源

同位素?zé)犭姵仉m然優(yōu)點(diǎn)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(duì)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?zé)犭姵氐妮敵龉β蔬�會(huì)不斷下降。

蘇聯(lián)在上世紀(jì)六十年代也成功設(shè)計(jì)制造了同位素?zé)犭姵仉娫�，但也許是戰(zhàn)斗民族天生渴望功率更強(qiáng)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(yīng)堆�？臻g核反應(yīng)堆像是一個(gè)縮小版的核電站，也是通過核燃料的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)來加熱物質(zhì)，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。它同樣也可以通過插拔控制棒的方式來控制反應(yīng)堆的運(yùn)行。和地面上一般使用水蒸氣推動(dòng)汽輪機(jī)不同，空間核反應(yīng)堆使用的一般都是金屬蒸汽的蒸汽機(jī)。上世紀(jì)六十年代，蘇聯(lián)成功研制出了BES-5空間核反應(yīng)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(yīng)堆。

在蘇聯(lián)人成功推進(jìn)空間核反應(yīng)堆技術(shù)的同時(shí)，一不小心也制造了第一起大規(guī)模太空核事故。BES-5反應(yīng)堆被大量裝配于“雷達(dá)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(dòng)向。當(dāng)一顆RORSAT衛(wèi)星即將到達(dá)工作壽命時(shí)，它會(huì)將其搭載的核反應(yīng)堆彈射到950公里高的“丟棄軌道”上。在那里，廢棄的核反應(yīng)堆將始終飄在太空之中，避免對(duì)地球造成核污染。而余下的衛(wèi)星本體則會(huì)在失去動(dòng)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(hào)為“宇宙954”的一顆失控的RORSAT衛(wèi)星沒能正常將反應(yīng)堆彈射到“丟棄軌道”上，而是帶著核反應(yīng)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(dòng)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(jì)損失。在這之后，蘇聯(lián)對(duì)RORSAT衛(wèi)星的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改造，在反應(yīng)堆上加裝了備用推進(jìn)裝置，在主推進(jìn)裝置失效時(shí)仍能讓反應(yīng)堆正常進(jìn)入丟棄軌道。同時(shí)，面對(duì)潛在的空間核事故風(fēng)險(xiǎn)，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(yīng)堆雖然存在著這樣的風(fēng)險(xiǎn)，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(dòng)力更強(qiáng)大、飛行性能更強(qiáng)的核動(dòng)力火箭，還要依賴空間核反應(yīng)堆。目前，技術(shù)上論證的比較充分的核動(dòng)力火箭方案主要有兩種。第一種為熱核火箭，利用核反應(yīng)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(qiáng)大的氣流推動(dòng)火箭。此時(shí)，液氫并不像現(xiàn)在使用的火箭那樣充當(dāng)燃料，而只是充當(dāng)產(chǎn)生動(dòng)量的推進(jìn)劑。據(jù)測(cè)算，在攜帶相同重量的推進(jìn)劑時(shí)，這種火箭的運(yùn)載能力將比現(xiàn)在使用的化學(xué)燃料火箭提高一倍。另外一種更先進(jìn)有效的核火箭方案，則是將新興的電推進(jìn)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(jìn)劑電離到等離子體態(tài)。其后，再利用核反應(yīng)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(dòng)量和能量，加速到星際旅行所需的速度。

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