核能助人类驶向浩瀚星海

Pierre Henriquet

核物理学博士、瞰创新专栏撰稿人

太空环境严酷恶劣，人类不借助外力无法在太空中生存。极端太空环境对人类带来的危险究竟有哪些，该如何应对呢？太空中发生事故的可能性有多大？远距离太空航行对人体有什么负面影响呢？

宇宙飞行器的能量只有两种来源——太空中“就地取材”，或从地球携带。

现有的两种宇宙飞行器供能技术分别是太阳能和核能。

现在，已有许多太空探测器搭载了放射性同位素温差电源（RTG）。

一个探测器能获得的太阳能充足与否，与任务的具体情况、设备所处的环境等因素有着密切关系。

继化学燃料推进和等离子推进之后，核动力有望成为新型太空推进技术。

宇宙环境之恶劣，世间无处可及。对于人类而言，在外太空生存是个亘古难题。不过，无论是载人还是无人航天都必须有充足的动力。在名副其实“空无一物”的外太空，航行、通讯、供电都需要能量，而能量只有两种来源——太空中就地取材，或从地球携带。

这两种来源分别对应着现有的两种宇宙飞行器供能技术。第一种是太阳能，使用光伏板将照耀飞行器的太阳光转化为电能。第二种是核能，现在已用于舱内供能，未来有望成为动力来源，推动飞行器前往太阳能不足或难以利用的宇宙深处。

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核能：地球天外，五十载应用

即使在地球上，也存在人迹罕至、环境恶劣、供能困难的地方。比如，在俄罗斯和美国阿拉斯加州之间的白令海峡有一个名叫航道岩的小岛，面积不到1平方公里，毗邻北极圈。而就在这寒冷的小岛上，美国海军在1966年成功安装了一个放射性同位素温差电源（RTG），为其环境监测设备供电。

如今，RTG被广泛应用于太空探测器上，最知名的案例包括先驱者号探测器、旅行者号探测器、卡西尼－惠更斯探测器。先驱者和旅行者正在飞离太阳系，卡西尼－惠更斯在2004到2017年间探测了土星及其卫星。虽然RTG需要使用钚-238或镅-241，但由于内部不发生持续的核裂变反应，故不属于传统意义上的核反应器，有别于传统的核能发电站。RTG利用的是放射性同位素衰变自然产生的热量，通过热电偶原理发电。

图片来源：NASA

注：一块钚氧化物在其自身辐射发热的作用下升温变红。

RTG的能量转化率只有10%，不过它能稳定、持续地发电数十年之久。放射性物质都有半衰期，即原子核半数发生衰变时所需的时间。一份放射性物质过了半衰期，放射活度只剩原来的一半，发电量也会相应减半。现在RTG最常用的钚-238半衰期为88年左右。对于十几二十年的太空探测项目而言绰绰有余。

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在外太空，该用太阳能还是RTG？

RTG的优势不仅是供能时间长。你可能会问，太阳光取之不尽用之不竭，只要有阳光照耀，飞行器不就能有持续的能量吗？但太空中并非处处有阳光，阳光的充足程度和任务的具体情况、设备所处的环境等因素有着密切关系。

“在火星上，探测器必须耐受得住恶劣天气的考验。”

在火星上，探测器必须耐受得住恶劣天气的考验。火星大气层虽然比地球稀薄（大气压比地球低200倍），但有时会刮起狂风，沙尘暴席卷整颗行星。沙砾沉积在探测器太阳能电池板上，会逐渐将其彻底覆盖，导致无法发电。

2022年12月，洞察号无人探测器在对火星内部结构进行长达4年多的科学探测之后，因为太阳能板上尘埃集聚过多，任务只得终结。为避免尘埃问题，2012和2021年分别发射的好奇号和坚毅号都配备了RTG。RTG散发的热量除了用于发电，还能给敏感电子元件保温，防止其在平均气温零下六十度的火星极寒中受损。

图片来源：NASA

注：坚毅号火星探测器的RTG（红框圈出），周围有散热片。

即使在没有大气层、不存在扬尘的天体表面，RTG也能派上用处。比如，阿波罗登月舱着陆后，就是使用RTG给安放在月球表面的科学仪器供电。这些仪器的计划运行时间长达十年，但月球上的白昼等于地球上的两个星期，夜晚同样漫长，靠太阳能板无法支撑连续十四天的黑夜，这时候RTG就可以发挥用途了。

探测器星际航行途中，虽有阳光持续照射，但并不意味着可以“不假思索”地选择太阳能。探测器距离太阳越远，能接收到的阳光强度就越低，而且强度和距离是平方的关系：距离增大3倍，光强减弱9倍；距离增大10倍，光强减弱100倍。

图片来源：NASA

注：阿波罗14号登月任务在月球上安装了RTG，给科考仪器的控制箱供能。

也就是说，飞行器一旦飞出木星轨道之外，太阳能板就无法继续工作，只能靠RTG的力量。卡西尼－惠更斯探测器以及著名的新视野号探测器都是依托RTG才克服了太阳能不足的问题。后者经过10年的飞行，拍摄到了天文史上首张冥王星表面的高清照片。

03

核热推进，新起之秀

未来十年，核动力有望成为新型太空航行推进技术。无论哪种推进技术，其基本原理皆为作用力和反作用力：飞行器要尽可能将大量的物质朝着反方向快速喷射出，获得行进方向的动力。

现有的推进技术可大致分为两类：化学燃料推进和电子（等离子）推进，各有利弊。传统化学推进使用的燃料燃烧后会产生大量热气，形成强大推力，但持续的时间很短，最多只有十分钟。燃料自重巨大，增加飞行器负荷，燃料带的越多，所需的燃料越多。

图片来源：NASA

注：2005年11月7日，肯尼迪航天中心的工作人员为新视野号探测器安装RTG（图中黑色设备）。

等离子推进则是先将气体电离，然后在电场中对其加速，加速度大小取决于电场强度，不依赖化学反应，有望实现比化学燃料更高的颗粒喷射速度，大幅减少飞行器要搭载的燃料量。欧洲航天局的阿里安系列火箭每秒就要烧掉几顿的燃料，但等离子发动机每天只消耗100克的燃料，效率更高，推进力可维持几周乃至几个月，不过也有缺点——推力太小，最多只有几N，严重限制了其适用的飞行器种类范围。

核热推进是让液体推进剂（如液氢）流过核反应堆堆芯加热，然后高速大量喷出，推动飞行器前行。此类推进的能效介于化学燃料推进和等离子推进之间，理论上既能达到极高的气体喷射速度，又能维持较长时间的推进力。

2021年，美国航空航天局指定了三家集团开展核热推进技术概念研究，目前课题正在进行中。2023年1月底，美国国家航空航天局局长比尔·尼尔森宣布与美国国防部高级研究计划局启动合作项目，力争2027年“开发并示范先进核热推进技术”。

图片来源：NASA

注：DRACO航天器的展示图，装载了核热动力火箭发动机。

2013年，欧盟“用于长周期探索计划的空间电源和推进系统用兆瓦级高效能技术” 计划（MEGAHIT）发布了一份报告，勾勒了太空核动力系统的开发路线图，但至今一直没有后续。太空核动力系统开发存在安全性和社会接纳程度两大障碍。在如今的技术条件下，生产一个RTG并不难，可以用层层材料将内部的小小放射性物质圆盘包裹，既保证良好的导热性，又避免在起飞或重返大气层时因飞行器损毁而导致核泄漏。1970年4月，阿波罗13号因爆炸事件紧急返回地球，飞船上搭载了本该安装到月球上给科学仪器功能的RTG，这些RTG成功地经受住了重返大气层的高温，最后坠落到太平洋深达10公里的汤加海沟中。

但是，未来的新型核能推进发动机必定会比RTG更庞大、更精密，是否也能达到与RTG相当的安全水平呢？人类若想要开发出更先进的推进技术，缩短飞往火星的时间，安全问题是一个不容忽视的挑战。

作者

Pierre Henriquet

编辑

Meister Xia