太空燃料危机   稿源:南方都市报   2012-09-02 作者:宇 

http://pics.oeeee.com/8/0d/80d33963ab9dddea/Thumb/347277/dcgb090201.jpg

    旅行者1号1977年发射升空，已经在太空飞行了35年，是目前离地球最远的人造飞行器。像所有远程太空探测器一样，它的动力也源自钚-238。

    冷战时期留下的钚储备一直是NASA（美国宇航局）的太空探索计划的重要燃料来源，现在，随着钚库存的减少，未来的太空飞行器要以什么为动力？(来源:南方都市报 南都网)

    在距离地球180亿公里之外，旅行者1号正穿越太阳系的外沿，如果它的设备没有出错，那么这个探测器终于将要进入未知领域———寒冷广袤的星际空间。这场旅程已经持续了35年。旅行者1号之所以能有如此长的寿命，要感谢它的温暖的心脏钚-238.这种放射性材料是核武生产的一个副产品，在衰变的过程中释放热能，热能又被转化为电力用于驱动旅行者1号上的设备。工程师们希望，在接下来10年甚至更长的时间里，这个探测器将继续将信号传回地球，直到消失在无尽的宇宙空间中。

    自上世纪60年代以来，钚的同位素在远距离太空任务中扮演了关键角色，主要被用在执行远程太空任务的探测器上。由于远离太阳，这些探测器无法使用太阳能电池板提供动力。比如木星探测器伽利略号、先驱者号行星探测器、旅行者号探测器，还有土星探测器卡西尼号都依靠钚同位素提供动力。

    然而，这类太空任务可能很快成为历史。钚- 238在几十年前就停产了，N A SA的库存已经很少。如果得不到新的供给，我们对太阳系外太空的探索很快将被迫画上句号。问题在于，钚-238的生产很复杂，且造价昂贵。重启生产线就需要几年时间，耗资约1亿美元。虽然N A SA和美国能源部迫切希望重启生产，但美国国会至今不愿拨款。但是，可能存在另一种生产钚的更好方式。3月，在N A SA的一次会议上，太空核研究中心（CSN R）的物理学家提出了一种激进的方案，他们认为可以让各方都感到满意。这种方法更快捷、更清洁、更廉价，可投入商业化生产，不仅可满足N A SA需要，甚至可以盈利。

    按照C SN R的建议，将钚-238投入商业化生产可以减轻税收负担。但批评者担心，这样做可能带来安全隐患。钚是已知最危险的放射性物质之一，它的同位素可释放强大的阿尔法粒子，如果吸入将会致命。他们认为，还不如将重启生产线需要的时间和金钱用于研究更安全的替代燃料。这是否意味着我们将告别这一冷战技术，开创新的、更清洁的太空动力源？

    钚-238在所有的NASA远距离太空任务中都扮演了关键角色，这不是没有原因的：这种材料在释放阿尔法粒子时产生热能，半衰期长达87年，衰变速度极慢。封闭在放射性同位素热电发生器中，衰变的钚让热电偶升温，创造电力。每克钚- 238可产生约0 .5瓦电力。每年，N A SA平均要使用2000克左右的这种材料用于驱动各种探测器。

    这一切并非偶然。像很多武器级核材料一样，钚-238最初诞生于制造核弹原料的反应堆中。1988年，当这些武器设施关闭后，美国就终止了生产。为了填补需求，直到2009年，美国还一直向俄罗斯购买钚-238，最终因为和合同纠纷导致合作终止。现在，俄罗斯自己的库存也不多，所以向他们购买也不太可能。

    因此，美国政府必须决定是否恢复钚-238的生产。根据2009年美国国家可持续研究委员会的一份报告，N A SA的库存只剩下5000克，估计最多可以用到2020年。美国能源部的官员说，如果现在开始准备，到2018年，年产量可以达到2000克———恰好来得及补充N A SA库存。但经费却是个最大的问题。N A SA已经同意分摊费用，计划拿出约1400万美元用于重启生产线的研究———很可能在田纳西州的奥克里奇国家实验室进行。然而，全部花费最终可能高达1.5亿美元，研究委员会的人暗示，美国国会似乎不愿意掏钱。

    显然，钚- 238生产起来非常昂贵。传统的方法是将一堆镎-237放在一个强大的核反应堆中，用中子对其进行长达1年的辐射。然后还需要经过一系列的提纯步骤，才能将钚-238从其他的裂变产物中分离出来。

    今年3月，在NASA的高级创新概念研讨会上，CSN R的史蒂文·豪提出，有一种更简单的生产方式。关键在于采用机械补料生产线，围绕反应堆芯建一条环形管道。包含少量镎-237的胶囊被不断地沿着管道向前推进，每个胶囊在反应堆中停留数天。当它们从另一端出来时，钚-238被提取出来，剩下的镎-237再被送回生产线。每一次仅有约0 .01%的镎被转换成钚。因此，要得到N A SA所需的上千克的数量，这个过程需要重复几千次。

    这一技术具有一些显著优势，包括缩短辐射时间，使裂变产物减少，从而让之后的化学分离过程简化，并可减少放射性垃圾的产生。此外，这种方法可以采用运作成本要小得多的小型反应堆。豪甚至提议让生产商业化，N A SA和国防部只需要购买最终成品，无需为生产过程投入资金。

    研究这个方案的C SN R小组已经得到10万美元的N A SA经费，并提议建造机械补料生产线的原型，用于演示它能够自动推动胶囊的前进，并完成之后的分离步骤。豪相信，只需要3年，这条生产线就可以开始运行，成本只需要约5000万美元———比重启传统生产线少了一半———每年可生产约1.5千克钚-238.

    虽然研究小组还不确定最佳的辐射时间，但可以肯定的是，这种持续少量的生产方式可帮助降低成本，缩小生产规模。如果每千克售价60 0万美元———低于俄罗斯人的最后要价———这完全可以成为盈利的生意。豪说，“就像商业太空旅游一样，我们也打算让钚生产商业化。”

    无论豪的生产技术是否真能省钱，重启钚生产并不是人人乐见的事情。钚-238的毒性极高。一旦发生事故可导致它进入大气层。1964年，美国海军的一颗导航卫星在返回大气层时分解，释放出1千克的钚-238.几乎相当于核武器试验释放到大气中的数量的两倍。虽然钚的容器经过重新设计，可抵御返回大气层时的冲击，2006年，当卡西尼号探测器靠近地球飞行时依然引起了公众抗议。重启钚的生产是一个“非常可怕的可能性”，反太空核武器全球网络的布鲁斯·加隆说，“这显然说明，核工业将太空看作新的市场。这就像是玩危险的俄罗斯轮盘赌。”他还对商业化生产线表示担忧，“当掺杂了盈利因素，人们就会开始偷工减料。”(来源:南方都市报 南都网)

    此外还有核武扩散的担忧。虽然钚- 238不能被用于生产核武器，但镎-237却可以。这是一种武器级的放射性材料：在快速中子的轰击下，能够产生连锁反应。忧思科学家联盟的埃德温·莱曼认为，考虑到这些安全因素，太空应用应该首先考虑非核动力系统。

    阳光是否能够填补钚的空缺？遵循牛顿的平方反比定律，阳光强度随着和太阳的距离加大而降低。如此看来太阳能似乎不适合远离太阳的空间任务。比如在冥王星的轨道上，2000平方米的阳光所产生的能量仅仅相当于地球轨道上1平方米的阳光。然而，2011年，NASA发射了第一个采用太阳能的木星探测器朱诺号。朱诺号依靠3个10米长的太阳能电池板产生动力。据2007年的一份NASA报告，即使在比木星更远的地方，探测器依然可以使用太阳能。

    NASA格伦研究中心的詹姆斯·芬卡隆说，我们需要的是能够应对外太空极端状况的新太阳能电池。在开发超轻、高效率太阳能电池方面已经取得突破。如果这些电池的重量和成本还能进一步降低，如果探测器的动力可以减少到300瓦以下———相当于伽利略号的1/2———芬卡隆说，一个用250平方米电池板驱动的探测器可以在天王星的轨道附近工作。

    要探索更远，更黑的太阳系外星际空间，甚至也可以不用钚-238.同样是在N A SA高级创新概念研讨会上，宾夕法尼亚大学应用研究实验室的迈克尔·保罗描述了一种新式引擎，它可以在没有阳光的多云环境下驱动探测器。以金星为例，保罗提议结合锂燃料和金星大气中的二氧化碳，燃烧后产生热量驱动斯特灵引擎。这种引擎利用温差推动连接发动机的活塞。这套系统无需核发射许可，改造后可以用于探索土卫六、火星、甚至永远黑暗的月球南极。经过进一步研究，保罗预计这一技术可在2020年发射升空。但他也承认，锂动力探测器的寿命要短得多，大概在只有钚动力探测器的零头。“50多年的研究显示，有的应用确实没有其他的替代方案，就这么简单。”约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的拉尔夫·麦克纳特说。“正因为如此，如果有可以替代核能的方式，那么绝对应该利用起来。”

    此外，研发轻型太阳能电池或更高效的斯特灵引擎，还可以造福其他领域。工程师们已经在研究将金属粉末变成燃料用于汽车引擎。保罗建议，他的技术还可帮助海洋勘探。钚-238就没有这样的多用途。它曾被用于驱动心脏起搏器，但由于安全和健康原因不再受欢迎。

    那么究竟NASA会选择哪种方式？豪依然坚决支持钚- 238，最近还向N A SA提交了他的新方案。对于太空而言，这场动力之争还远远没有结束。

    原文：A nne-Marie Corley

    原载：http://www.newscientist.com/article/mg21528771.400-space-fuel-crisis-nasa-confronts-the-plutonium-pinch.html

    编译：宇(来源:南方都市报 南都网)