宇宙飛船上的“電池”

胡立成

在菲利普·迪克、威廉·吉布森、羅伯特·海因萊因等科幻作品大師的筆下，未來造型新穎的宇宙飛船和其他的運(yùn)輸工具，如深空勘探寶藏船、科幻版巡洋艦、奇特的太空貨船等，必將在金星、木星等其他行星、星系和空間自如穿梭。

金星是太陽系中環(huán)境最惡劣的星球之一，表面被硫酸云覆蓋，地表溫度高達(dá)460℃，大氣壓力是地球的90倍，鉛、鋅、錫以液態(tài)方式存在。

為了真正了解這個星球，我們首先需要一個著陸器，用來監(jiān)測大氣層、磁場以及地表巖石的化學(xué)成分，并做一些地震學(xué)研究來解釋星球內(nèi)部的樣貌。俄羅斯Venera D探測器有一個著陸器，攜帶“微型探針”氣球漂浮在金星的天空中時，微探針會一個接一個地被拋下去，對星球的不同位置進(jìn)行科學(xué)測量。但由于所帶電池電量的限制，它只能維持微探針工作3個小時。為了讓探測器能夠工作得更久，我們需要更堅(jiān)固的電子設(shè)備。

1.電子設(shè)備

由于行星陰影的周期性遮擋和金星常有陰天的原因，隨著宇宙飛船進(jìn)入金星軌道，探測儀的太陽能帆板產(chǎn)能效率將會下降，最終無法產(chǎn)生足夠的電能供探測器工作。

美國宇航局正在尋找能抗高溫的芯片。在高溫條件下，許多材料的性能都會發(fā)生改變。如在300℃左右，硅就會變成導(dǎo)體，但是硅電路運(yùn)轉(zhuǎn)良好，所以美國宇航局正試驗(yàn)以碳化硅為材料的電子設(shè)備，以便宇宙飛船的太陽能帆板在高溫條件下可以運(yùn)轉(zhuǎn)更長的時間，從而更順利地完成金星表面的探測作業(yè)。

硅電路每秒鐘能接通和斷開75億次，它的速度是迄今所知傳導(dǎo)最快的硅晶體管的2倍。科學(xué)家將電路元件縮小到十分之一微米，即人的頭發(fā)的千分之一或幾百個原子那樣大，就能達(dá)到超級速度。碳化硅的導(dǎo)電率高、抗輻射性好，并且可以在超高溫度下發(fā)揮作用。如用碳化硅制成半導(dǎo)體，可大大減少電子設(shè)備的內(nèi)部消耗，減少電子垃圾的產(chǎn)量，提高電子設(shè)備的效率。

2.電力系統(tǒng)

一般情況下，航天器的電源系統(tǒng)占整個航天器質(zhì)量的30%左右，分為三大部分：發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、電源管理和分配系統(tǒng)。

首先，電源系統(tǒng)的質(zhì)量必須足夠小，以便提升“能量密度”，即足夠小的體積能產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的電力；其次，它必須壽命長，且安全可靠，才能確保宇宙飛船搭載設(shè)備的電力使用需求；最后，考慮到宇宙飛船運(yùn)行環(huán)境的特殊性，它的電力系統(tǒng)還必須能夠在零重力和高真空環(huán)境下正常運(yùn)作，同時必須能經(jīng)受住超強(qiáng)輻射環(huán)境和極端溫度的考驗(yàn)。

美國宇航局研發(fā)的“先進(jìn)斯特林同位素?zé)犭姍C(jī)（ASRG）”，為未來的長期太空任務(wù)提供設(shè)備的降溫處理及探測提供了電力支持。它是一種利用放射性衰變獲得能量的發(fā)電機(jī)，其原理是通過熱電偶裝置，把放射性同位素钚-238衰變產(chǎn)生的熱直接轉(zhuǎn)換為直流電，提供給各種儀器設(shè)備使用。通過钚-238制造的核電池可以成為太空船的強(qiáng)大能源，讓其在陽光過于黯淡的地區(qū)仍然能繼續(xù)飛行和傳遞數(shù)據(jù)。

3.能源方面

美國宇航局的米爾和他的團(tuán)隊(duì)決定用鋰來解決宇宙飛船的能源問題。鋰的熔點(diǎn)為180℃。在氮?dú)庹即髿獗戎丶s4%的金星上，它很適合作為一種“易燃”的液體燃料。據(jù)研究，一個包含發(fā)動機(jī)和燃料的50千克設(shè)備可支撐探測器對金星土壤和云層進(jìn)行兩天的考察，并向地面發(fā)回寶貴資料。

鋰是清除雜質(zhì)最理想的材料，是用來作為火箭燃料的最佳金屬之一。一千克鋰通過熱核反應(yīng)釋放出的能量相當(dāng)于兩萬多噸優(yōu)質(zhì)煤的燃燒。若用鋰或鋰的化合物制成固體燃料，用作火箭、宇宙飛船的推動力，不僅能量高、燃速大，而且有極高的比沖量，火箭的有效載荷直接取決于比沖量的大小。

此外，鋰不會產(chǎn)生污染。先進(jìn)的鋰離子電池技術(shù)正在不斷改進(jìn)，以便將其儲存能量提升一倍。鋰基潤滑脂兼有高抗水性、耐高溫和良好的低溫性能。電力推進(jìn)通常是采用高速電驅(qū)推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的，但也有一種稱作“電動力繩系”的技術(shù)，可以利用行星磁場的能量實(shí)現(xiàn)飛船驅(qū)動。

4.發(fā)動機(jī)

美國國家航空航天局（NASA）在2015年向華盛頓州“美國噴氣發(fā)動機(jī)-火箭公司”批出價值6700萬美元（約合人民幣4.33億元）的合約，研發(fā)先進(jìn)電力推進(jìn)系統(tǒng)，把太陽能轉(zhuǎn)化為電力，配合氙推進(jìn)劑，這將有助于科學(xué)家執(zhí)行“小行星重新定向任務(wù)”的機(jī)器人操作部分以及探索火星任務(wù)。

NASA專家表示，電力推進(jìn)系統(tǒng)包括電源處理單元、氙流量控制器和電氣線束。當(dāng)太陽光被轉(zhuǎn)化為電力后，配合“離子驅(qū)動器”和“霍爾推進(jìn)器”，令推進(jìn)燃料“離子化”，產(chǎn)生更強(qiáng)推力，可將宇宙飛船的速度提升至每小時90000 英里，大約每秒40公里。目前，NASA已制造出一款原型推進(jìn)器，可供該公司作為電力推進(jìn)系統(tǒng)的參考。如進(jìn)度理想，2020年前可進(jìn)行電力推進(jìn)系統(tǒng)示范飛行任務(wù)。