歐洲研究人員正在開發(fā)使用放射性同位素為太陽系中的長期任務(wù)提供動力的電池。

歐洲航天局希望其阿爾戈登月任務(wù)(藝術(shù)家的印象)將由使用核元素镅的電池供電。圖片來源：歐空局

歐洲科學(xué)家正在開發(fā)一種用于太空任務(wù)的電池，該電池由核廢料提供動力。歐洲航天局 (ESA) 希望這項(xiàng)技術(shù)在本世紀(jì)末能夠運(yùn)行不依賴太陽能電池板的航天器，并且可以在不依賴太陽能電池板的情況下探索月球和太陽系的遙遠(yuǎn)區(qū)域。來自國際合作伙伴的設(shè)備。

11 月 22 日至 23 日在巴黎舉行的 ESA 部長級理事會會議上，部長們同意資助一項(xiàng)名為“使用放射性同位素能源的歐洲設(shè)備”(ENDURE) 的 2900 萬歐元(3000 萬美元)計(jì)劃。其目的是開發(fā)由放射性元素镅 241 提供動力的長效熱電裝置，及時用于 2030 年代初期的一系列 ESA 月球任務(wù)。

“如果我們想在探索中擁有自主權(quán)，我們就需要這些能力，”位于荷蘭諾德韋克的歐洲空間研究與技術(shù)中心 (ESTEC) 的 ENDURE 聯(lián)合負(fù)責(zé)人 Jason Hatton 說。哈頓說，歐空局不斷增長的太空野心意味著它需要自己的持久能源。

241號元素

镅是钚衰變的副產(chǎn)品，從未被用作燃料。對于太陽能無法滿足的任務(wù)——無論是因?yàn)殛幱斑€是因?yàn)殡x太陽的距離——ESA 都依賴于美國或俄羅斯的合作伙伴，自太空競賽以來，它們一直使用钚 238 電池為任務(wù)提供動力。例如，美國國家航空航天局制造了钚電池，在 2005 年惠更斯號探測器下降到土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六期間為它加熱。但钚 238 在過去十年中一直供不應(yīng)求，而且生產(chǎn)成本高昂。

在俄羅斯入侵烏克蘭后，歐空局與俄羅斯斷絕了關(guān)系。“目前的政治形勢表明，你不能總是依賴合作伙伴，”法國默東巴黎天文臺的天體物理學(xué)家 Athena Coustenis 說，她是支持新計(jì)劃的歐空局咨詢委員會主席。

長期以來，缺乏動力來源限制了歐洲科學(xué)家提出的單人任務(wù)，也限制了其他任務(wù)。該機(jī)構(gòu)在 2014 年敏銳地感受到了放射性同位素能量的缺乏，當(dāng)時它的彗星著陸菲萊探測器運(yùn)行了不到三天，因?yàn)樗罱K停在了一個太陽能電池板無法使用的陰涼處。“多年來，歐洲科學(xué)家一直在說，如果你想走得更遠(yuǎn)，或者去黑暗和寒冷的地方，別無他法，”庫斯騰尼斯說。

比钚更好?

ESTEC ENDURE 計(jì)劃的共同負(fù)責(zé)人 Véronique Ferlet-Cavrois 表示，與钚相比，镅的一大優(yōu)勢在于它更便宜、更豐富，可以重新利用原本無用的廢物。

Plutonium-238 是通過兩階段工藝制造的，該工藝涉及用中子照射镎靶。位于塞拉菲爾德的英國政府國家核實(shí)驗(yàn)室 (NNL) 的研究人員表明，可以從民用發(fā)電廠使用的再加工核燃料中提取镅，并制成構(gòu)成電池核心的燃料芯塊。Hatton 表示，ENDURE 計(jì)劃的一部分將包括將镅的生產(chǎn)能力提高到電池所需的水平。

镅的半衰期比钚 238 長，這意味著它持續(xù)時間更長，但每克能量更少。但由于镅更容易獲得，生產(chǎn)一瓦電力的成本大約是使用钚的五分之一，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào) ESTEC 未來月球任務(wù)工作的 Markus Landgraf 說。

在接下來的三年里，ENDURE 團(tuán)隊(duì)將把原型開發(fā)成可以在類似任務(wù)的條件下進(jìn)行測試的模型，作為可用設(shè)備的前身。英國萊斯特大學(xué)的一個團(tuán)隊(duì)與 NNL 合作開發(fā)了兩種類型的設(shè)備：一種是放射性同位素加熱裝置，它用腐爛的镅產(chǎn)生的熱量加熱儀器，另一種是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器 (RTG)，它使用通過在金屬板之間產(chǎn)生溫差來產(chǎn)生熱量來發(fā)電。

研究人員設(shè)計(jì)了這兩種類型的設(shè)備，以解決镅在給定功率輸出下體積更大、溫度更低的問題，萊斯特大學(xué)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人、物理學(xué)家和空間動力系統(tǒng)專家理查德·安布羅西 (Richard Ambrosi) 說。

由于使用放射性材料，安全也很重要。他說，這些單元被封裝在包括鉑合金在內(nèi)的層中，鉑合金密封在镅中，同時允許熱量逸出。該計(jì)劃的下一階段將側(cè)重于安全測試，以便對镅單元進(jìn)行發(fā)射認(rèn)證。測試將包括監(jiān)測組件在高溫和沖擊下的行為——例如，在發(fā)射臺爆炸期間——以確保放射性物質(zhì)不會泄漏。“我們必須能夠在一系列非常極端的情況下生存下來，”安布羅西說。

月球上的電池

Ferlet-Cavrois 說，一旦開發(fā)出來，相同的基本電力系統(tǒng)可以在任何無法使用太陽能的任務(wù)中重復(fù)使用。在持續(xù) 14 個地球日的月球夜晚以及在木星以外的太陽系探險(xiǎn)中就是這種情況。為了度過嚴(yán)酷的月球之夜，中國活躍的月球車嫦娥四號使用了與俄羅斯合作建造的钚加熱裝置。

ESA 發(fā)射镅能源的第一個目標(biāo)是計(jì)劃于 2030 年代初發(fā)射的阿爾戈號月球著陸器。Landgraf 說，Argonaut 任務(wù)將對月球表面進(jìn)行長期研究，并支持在那里工作的宇航員。Ferlet-Cavrois 說，在 2040 年代，ESA 希望為冰巨星天王星和海王星的任務(wù)提供動力。這些行星僅在 1980 年代美國宇航局的航海者 2 號探測器飛越期間進(jìn)行過研究。

Landgraf 說，镅的可用性以及生產(chǎn)钚 238 的挑戰(zhàn)意味著 NASA 可能也想使用它。該機(jī)構(gòu)正在評估其為即將到來的任務(wù)生產(chǎn)足夠的 RTG 的能力。對于旨在在月球上建立長期存在的阿爾忒彌斯計(jì)劃，“他們認(rèn)為我們的镅非常有趣”，他說。

Ambrosi 說，經(jīng)過十多年的研究，镅技術(shù)才發(fā)展到可以用于實(shí)際任務(wù)的階段。“此刻的興奮實(shí)際上是顯而易見的。我們已經(jīng)為此努力了很長時間，”他說。