電能耗盡后 它們依然會飛向星辰大海

文/ 李會超

在太陽光暗弱的外太陽系飛行，依靠太陽能電池板供電顯然不是一個好主意。兩艘“旅行者號”上的電能，都來自于同位素熱電池（RTG）。這種電池的能量來源不是陽光，而是同位素衰變釋放的能量。然而，隨著時間的推移，同位素熱電池中的同位素燃料將逐漸消耗，而旅行者1號和2號在穿過日球層頂后，估計也將在2020年左右耗盡電能，與地球中斷聯系。

旅行者號電能來源于RTG

▲ 聯盟TMA-7宇宙飛船上的太陽能電池帆板

穩定而充足的電能供應是航天器正常工作的基本條件。早期的航天器，大都使用化學電池作為電能來源。這些化學電池的基本原理和我們日常生活中使用的干電池、手機電池等基本一致，能夠持續供電的時間不長。當電池的電能耗盡時，由于無處充電，航天器便不得不停止工作?，F如今的航天器，不少在軌道上工作時都會伸展出一個形似翅膀的裝置。比如我們熟知的神舟飛船，在尾部的推進艙上就有一對這樣的“翅膀”。航天器的這個“翅膀”是太陽能電池帆板，它的作用并不是用來飛行，而是用來將太陽能轉化成電能。隨著太陽能技術的不斷進步，太陽能帆板的供電效率越來越高，已經成為了在地球附近工作的航天器的主要電能來源。此外，也有一些需要大功率穩定供電的航天器，使用氫燃料電池作為電能的來源。它們中最典型的代表是執行登月任務的“阿波羅”飛船。

雖然太陽能取之不盡、用之不竭，但對于“旅行者號”這樣飛向深空的探測器，隨著與太陽距離的增加，太陽光會越來越暗弱，太陽能電池板所能產生的電能也就越來越小。因此，這種探測器一般選擇RTG作為電能的來源。

其實，太陽發出光和熱所需的能量，都來自于太陽內部的核反應。目前，人類已經掌握了利用核反應發電的技術，建立的不少核電站將核能轉換為我們日常生活中所需的電能。在太空中，核能同樣已經得到了廣泛的應用，并有望在未來成為太空探測的核心動力來源。

▲ 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

▲ 大力神- IIIE火箭發射旅行者1號

▲ 玉兔二號攜帶了同位素溫差發電器，能夠在供熱的同時，在月夜照樣為探測器提供不低于2.5W的電能

RTG的原理并不復雜，其基本構造和一個煤爐基本相似。RTG一般是圓柱狀，圓柱中間是核燃料，能夠通過自發的衰變反應產生熱量，像是一塊塊正在燃燒的蜂窩煤。而它之所以能夠將熱轉換成電能，就是因為包裹核燃料的RTG外壁不一般。這種被稱為“熱電偶”的外壁裝置，由一些特殊的半導體材料制成。當熱電偶兩側的溫度不一樣時，它就能向外發電，將熱能轉換為電能。這種由溫差產生電壓的現象被成為“塞貝克效應”，是以發現它的德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克命名的。隨著核燃料的衰變持續進行，RTG內部和外部的溫差就能持續存在，從而能通過熱電偶產生穩定的電能。

▲ 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

目前，航天RTG使用最多的核燃料為钚- 238。這種核燃料是根據以下幾個原則被選擇出來的。首先，這種元素的衰變速度不能太快，否則無法長期支持航天器工作。第二，單位質量的核燃料產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。第三，核燃料衰變時輻射出的射線類型要盡可能容易被熱電偶吸收。钚- 238的半衰期有877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，幾乎只產生熱電偶容易吸收的α射線，而不產生穿透力比較強，又不容易被熱電偶吸收的β射線。這樣，钚-238在衰變時的輻射幾乎都被熱電偶本身吸收，基本不用在RTG外部設置額外的屏蔽層，來阻擋β射線對其他設備的輻射危害。

▲ 用于和旅行者號通信的深空網絡控制中心

電能耗盡之后

然而，RTG雖然有種種適合深空飛行器的優點，但終究是一種依賴于核燃料的電池。隨著核燃料的不斷衰變，其產生的電能也會相應減少。此外，用于將熱能轉化電能的熱電偶極材料的性能，也會隨著時間下降，進一步減少了電池的供電輸出。根據美國宇航局的估計，從發射伊始，旅行者號探測器上的RTG供電將會以每年4瓦的速度降低，目前的輸出功率僅有剛發射時的60%。

為了解決供電不足的問題，美國宇航局不得不在任務運行的過程中逐步關閉沒有必要繼續使用的科學儀器，來降低整個飛船的電能消耗，使有限的電量能夠支撐任務延續。儀器關機的序幕在上世紀90年代初拉開，當時，兩艘旅行者號探測器已經完成了對大行星及其衛星系統的探測，接下來的探測任務是繼續向星際空間進發，只需要對飛船所在位置的物理參數進行探測的局地探測儀器繼續工作即可，而與相機類似，能夠進行成像的觀測儀器便不再需要。在成像儀器關閉前，美國宇航局利用最后的拍照機會，指令“旅行者1號”在距離地球64億公里外，拍下了它所探測過的所有行星，形成了一張太陽系的準全家福。在那張照片中，地球以一個小小的光點的形象出現。天文學家卡爾·薩根曾經感慨道：“也許沒有什么能比從遙遠太空拍攝到的我們微小世界的這張照片，更能展示人類的自負有多愚蠢。對我而言，這也是在提醒我們的責任所在：更和善地對待彼此，并維護和珍惜這顆暗藍色的小點—— 這個我們目前所知唯一的家園?！焙髞?，這張被稱為“暗淡藍點”的照片廣為流傳。

隨著電能的進一步下降，有些仍在工作的局地探測儀器，也不得不關閉，或轉入相對節能但有風險的狀態工作。例如，進入2019年后，負責探測器運行的人員關閉了“旅行者2號”上負責宇宙線探測的一臺簡稱為CRS儀器的加熱器，以節省電能。雖然關閉加熱器并不意味著儀器關機，但是也會給儀器的繼續正常運行帶來比較大的風險，并有可能加快儀器損壞的過程。一旦加熱器關閉，CRS的運行溫度可能下降到零下59攝氏度，低于這臺儀器在地面測試時的極限低溫零下45攝氏度。不過令人欣慰的是，“旅行者1號”上也進行過類似的操作，儀器在如此的低溫下仍然能夠繼續工作數年。

之所以選擇CRS作為關閉加熱器的的儀器，是因為目前“旅行者2號”的宇宙線探測功能也可以由其他儀器完成。其他儀器能從多個方向接受粒子，而CRS的方向則是固定的。部分放棄CRS，是目前的供電狀態下能夠獲得的最優解。在關閉CRS的加熱器前，負責探測器控制的工程團隊和負責科學產出的科學團隊進行了充分的討論，并共同做出了這個決定。

▲“暗淡藍點”就是地球照片（最右側棕色帶中間的藍色小點）

隨著RTG供電能力的進一步降低，旅行者號探測器的工作也將接近尾聲。按照目前的估計，可能在2020年代末，或者2030年代中，RTG的電能就已經無法支持飛船系統運行和與地球通信的最基本的電能需求。那時，雖然科學探測無法繼續，但兩艘旅行者號探測器仍然將作為人類的信使，攜帶者著包含人類信息的“金唱盤”，飛向星際空間中。