核能在航天器上的應用

文/ 毛新愿

飛出太陽系的“旅行者1號”

北京時間2018年3月30日凌晨2時56分，旅行者1號探測器通過美國宇航局（NASA）的深空探測天線網堪培拉站與地球通信。此時，它已經在宇宙中飛行了40年6個月24天，是目前距離人類最遠的航天器，達到211.4億公里，地球跟它通信需要約19個小時35分鐘才能信號抵達，而返回也需要同樣的時間。

▲ 堪培拉的43米口徑天線正在與旅行者1號探測器通信，在“旅行者1號”看來，太陽此時僅是一個微不足道的光斑

經過漫長的歲月，旅行者1號探測器的10個星上儀器只有4個還在保持工作。但這已經非常不可思議了，因為它所在的位置已經幾乎接收不到任何太陽的能量，這個需要飛行如此之久的航天器也不可能攜帶大量化學燃料產生電力，人類最常依賴的能源可謂毫無用處。因而，它必須依賴攜帶的一個叫做钚-238放射性同位素熱電發電機的裝置，也就是我們通常所說的“核電池”，能量來源自然是核能。

核能是目前人類已經掌握的能量密度最高的能量來源，雖然它的出現源自并不光彩的世界大戰，但在隨后的日子卻在方方面面改變了人類的生活。特別是在航天領域，它符合航天領域的眾多太陽系探索任務的需求，支撐這些探測器動輒飛行數十億公里，耗時數年甚至數十年。可以說，正是人類對核能的開發，才使得人類使者有了飛出太陽系的可能。

人類最早的核電池

其實早在1912年，年僅25歲的英國人亨利·莫塞萊就已經在研究放射性同位素時發現，當放射性物質發生β衰變時會產生高電勢能，從而有可能形成一個核電池。他也因此在1913就制造出了人類歷史上第一個核電池，雖然還無法投入使用，但這項諾獎級別的成果已經足夠保證莫塞萊未來輝煌無比的科學成就。

然而很不幸，1914年第一次世界大戰爆發，莫塞萊主動參軍。命運開了一個很大的玩笑，1915年年僅28歲的莫塞萊不幸中槍并犧牲在土耳其戰場。他的犧牲對于整個世界的震動是巨大的，著名作家阿西莫夫稱這次事件恐怕是整個一戰中人類最大的犧牲。而科學界自然也掀起了軒然大波，1916年的諾貝爾物理學獎很大程度上因他的死亡而空缺。這是該獎項自1901年起首次空缺，所有評審專家都清楚這個獎項應該頒給誰。

▲ 莫塞萊在牛津的實驗室

▲ 阿波羅11-17號飛船，都攜帶了放射性同位素電機/核電池作為熱量/能量來源之一

▲ 海盜1號和海盜2號的軌道器/著陸器

人造同位素的發明

人類對核能的利用極其緩慢，直到二戰結束后的航天時代才得以改變。普通的電池工作時間過短，比如世界上第一顆人造地球衛星斯普特尼克1號，它總重83.6千克，有約51千克就是三塊巨大的銀鋅電池，僅僅給一個功率一瓦的播報器提供了20天的能量。因此，人類在航天任務需求中提出了長期續航的指標，目光很快放到了核能電池上。

▲ 不斷裂變中的钚-238能產生源源不斷的熱量，導致它自身通紅

當然，彼時選擇核能電池還有一個重要的因素：二戰末期驗證了核能武器——原子彈的巨大殺傷力，冷戰開始后，東西方陣營迅速開始大量制造原子彈核原料。而其中重要產物之一就是在1940年代被人工制造、然后廣泛用在核電池中的钚-238放射性同位素。它的半衰期長達驚人的88年，這意味著可以提供長期穩定的電能來源，且衰變過程中的熱量也可以用以維持極低溫環境下航天器核心器件的工作狀態，可謂一舉兩得。人工制造同位素，比起莫塞萊年代必須尋找天然物質的時代簡直容易太多了。

相比傳統化學能電池，它的體積和質量大大縮小，相對于當時的航天器壽命而言幾乎可以無限續航，蘇美瘋狂核競賽也導致它們的成本大大降低：畢竟作為原子彈的副產物，它們的儲量庫非常巨大。在這種情況下，核電池迅速用到了各種航天探索中。

核電池在航天領域中的應用

核電池的早期成熟應用是在1960年代需要保持長期在軌工作的衛星類型上，例如軍事偵察衛星、氣象衛星、導航衛星等。蘇美發射了大量攜帶核電池的衛星。當時的太陽能電池技術遠不如今天發達，核電池似乎是唯一的選擇。

▲ 藝術家筆下的“旅行者1號”在太空示意圖

核電池最輝煌的時刻莫過于上世紀60年代末到80年代初，那也是整個人類航天史上最為輝煌的時刻。1969年7月20日“阿波羅11號”登陸月球，它需要在月球表面停留大約21個小時，就已經攜帶了核電池為飛船提供一定熱量，作為燃料電池的補充。而后來的阿波羅12號到17號任務繼續沿用了這個方案。

1976年，美國的“海盜1號”和“海盜2號”相繼登陸火星，成為真正意義上成功的首批火星著陸器（蘇聯的“火星3號”在之前著陸后便迅速失聯）。兩個探測器工作時間均大幅超過預計壽命，“海盜1號”甚至工作了6年多時間（2037天），為科學家們傳遞回來許多不可思議的科研信息。它們的主要動力和熱源就來自攜帶的放射性同位素電機。

▲ 美國人、蘇聯人和加拿大人，手持輻射探測儀，貼著皚皚白雪，一寸一寸地搜尋和撿拾宇宙954衛星散落的放射性碎片 （小火箭供圖）

1977年是人類歷史上極不平凡的一年，此時如果人類發射一個探測器將極有可能遍訪所有的外圍行星并借助它們的引力助推最終離開太陽系，這種機會僅175年一次，對于當時所有的地球人類而言都是唯一一次看見宇宙的機會。也正是在這種情況下，美國宇航局相繼發射了旅行者1號和2號探測器，它們就是本文開篇的主角。直到今天，它們的钚-238放射性同位素電機依然在工作，并預計工作到2030年左右。

人類目前僅有5個探測器能夠逃離太陽系，除了這兩位使者，還有1972年發射的“先驅者10號”、1973年發射的“先驅者11號”、2006年發射的新視野號（人類首個冥王星探測任務）,它們也全部依賴功率為155/228瓦特的放射性同位素電機，這是它們星際旅行的唯一能量來源。

▲ 歐美合作的卡西尼-惠更斯號探測器

而在2017年華麗謝幕的卡西尼-惠更斯號也同樣使用了核電池，它的功率在663-885瓦特之間。對于這個持續近20年、工作區域在約15億千米外的土星、幾乎沒有太陽能的探測器而言，核電池就是它的唯一能量來源。同樣的故事還發生在木星探測器伽利略號、太陽探測器尤利西斯號等身上。

大名鼎鼎的好奇號火星車更是如此。相比它的前輩不能動的“海盜1號”、“海盜2號”，能動但是能量極其有限（太陽能）的“勇氣號”和“機遇號”，“好奇號”直接背著一個碩大的核電池前往火星。它能夠源源不斷為“好奇號”提供110瓦的電能和2000瓦的熱量。這些能量推動著900千克重的“好奇號”在過去的2000多天里走過了超過18公里的距離。

上述大部分任務是攜帶了核電池作為電能來源的情況，而實際上用小型核輻射裝置為一些核心航天器器件保暖的情況就更為廣泛。

鑒于核電池的廣泛應用潛力，中國也在1971年就做出了第一塊以钚-210為主要原料的核電池，并最終在2006年攻克了钚-238核電池技術。它也迅速應用到了嫦娥三號月球著陸器上（主要用于月球夜間保溫）。“嫦娥三號”從2013年12月14日成功著陸月球后一直工作到2016年8月，成為人類歷史上在月球表面工作時間最長的著陸器，核電池的作用功不可沒。

可以說，核電池這項因為人類戰爭而生的技術，反而成為了人類獲得新生的最好機會。它驅動著一個又一個偉大的探測器，踏上探索宇宙未知之旅。★