歐洲科學家探索用核廢料為航天器提供動力

歐洲航天局希望其阿爾戈登月任務(構想圖)將由使用核元素镅的電池供電。圖片來源：ESA

歐洲科學家正在開發一種用于太空任務的電池，該電池由核廢料提供動力。歐洲航天局(ESA)希望，到本世紀末，這項技術將使其能夠運行不依賴太陽能電池板的航天器，并且可以在不依賴國際合作伙伴設備的情況下探索月球和遙遠的太陽系。

在近日于法國巴黎舉行的ESA部長理事會會議上，部長們同意為一項名為“使用放射性同位素能源設備”(ENDURE)的計劃提供2900萬歐元(3000萬美元)的資金。該計劃旨在開發以放射性元素镅-241為動力的長效熱能和電力裝置，為ESA在21世紀30年代初的一系列月球任務提供支持。

“如果我們想在探索中擁有自主權，我們就需要這些能力。”歐洲空間研究與技術中心(ESTEC)ENDURE計劃聯合負責人Jason Hatton說，ESA不斷增長的太空雄心意味著它需要自己的持久動力來源。

镅是钚衰變的一個副產品，從未被用作燃料。無論是因為遮陰還是因為距離太陽太遠，對于太陽能無法滿足的任務，ESA一直依賴美國或俄羅斯，自太空競賽以來，這兩個國家就一直使用钚-238電池為任務提供動力。例如，美國宇航局制造了钚電池，在2005年“惠更斯”號探測器降落到土星的衛星土衛六時為其提供了溫暖。但是钚-238在過去十年里一直供不應求，而且生產成本很高。

由于俄烏沖突，ESA切斷了與俄羅斯的聯系。法國巴黎天文臺天體物理學家Athena Coustenis認為，當前的政治形勢表明，不能總是依賴合作伙伴。

長期以來，缺乏動力源一直限制著歐洲科學家提出的單獨任務，也限制了其他任務。ESA在2014年敏銳地感受到其放射性同位素電源的缺乏，當時其彗星著陸探測器“菲萊”只運行了不到三天，由于它最終落在了一個陰暗地帶，太陽能電池板無法發揮作用。Coustenis說：“多年來，歐洲科學家一直在說，如果你想走得更遠，或者到黑暗寒冷的地方，沒有其他方法。”

ESTEC的ENDURE計劃聯合負責人Véronique Ferlet-Cavrois認為，與钚相比，镅的最大優勢在于它更便宜、儲量更豐富，可以實現原本無用廢料的再利用。

钚-238的制造過程分為兩個階段，其中包括用中子輻照一個镎靶。英國國家核實驗室(NNL)的研究人員已經證明，镅可以從民用發電廠使用的再加工核燃料中提取，并制成燃料球，形成電池的核心。Hatton透露，ENDURE計劃的一部分將包括提高镅的產能，以滿足電池所需。

镅的半衰期比钚-238長，這意味著它的壽命更長，但每克的功率更小。由于镅更容易獲得，生產一瓦電力的成本大約是使用钚的五分之一，在ESTEC協調未來月球任務的Markus Landgraf指出。

在接下來的三年里，ENDURE團隊將把原型開發成可以在類似任務條件下測試的模型，作為可用設備的先驅。在與NNL的合作中，英國萊斯特大學的一個團隊開發了兩種類型的設備：一種是放射性同位素加熱裝置，它用衰變镅中產生的熱量來加熱儀器，另一種是放射性同位素熱電發生器(RTGs)，它通過在金屬板上產生溫度差來進行熱量發電。

萊斯特大學太空動力系統的物理學家Richard Ambrosi說，研究人員設計了這兩種類型的設備，以考慮到與钚相比，镅在給定功率輸出下的體積更大，溫度更低。

由于使用了放射性材料，安全也是至關重要的。他表示，這些裝置被多層封裝在包括鉑金合金在內的各層中，在密封镅的同時允許熱量逸出。該計劃的下一階段將集中于安全測試，以便镅裝置能夠獲得發射認證。測試將包括監測組件在高溫和沖擊下的行為。例如，在發射臺上發生爆炸時，要確保放射性物質不會泄漏。

Ferlet-Cavrois說，一旦開發出來，同樣的基本電力系統可以在任何無法使用太陽能的任務中重復使用。在月球上持續14個地球日的夜晚，以及在木星以外的太陽系的探險中，都是如此。

ESA發射镅動力源的第一個目標是它的阿爾戈號月球著陸器，計劃在21世紀30年代初發射。Landgraf介紹，該任務將在月球表面進行長期研究并支持在那里工作的宇航員。