核能在航天器上的应用

文/ 毛新愿

飞出太阳系的“旅行者1号”

北京时间2018年3月30日凌晨2时56分，旅行者1号探测器通过美国宇航局（NASA）的深空探测天线网堪培拉站与地球通信。此时，它已经在宇宙中飞行了40年6个月24天，是目前距离人类最远的航天器，达到211.4亿公里，地球跟它通信需要约19个小时35分钟才能信号抵达，而返回也需要同样的时间。

▲ 堪培拉的43米口径天线正在与旅行者1号探测器通信，在“旅行者1号”看来，太阳此时仅是一个微不足道的光斑

经过漫长的岁月，旅行者1号探测器的10个星上仪器只有4个还在保持工作。但这已经非常不可思议了，因为它所在的位置已经几乎接收不到任何太阳的能量，这个需要飞行如此之久的航天器也不可能携带大量化学燃料产生电力，人类最常依赖的能源可谓毫无用处。因而，它必须依赖携带的一个叫做钚-238放射性同位素热电发电机的装置，也就是我们通常所说的“核电池”，能量来源自然是核能。

核能是目前人类已经掌握的能量密度最高的能量来源，虽然它的出现源自并不光彩的世界大战，但在随后的日子却在方方面面改变了人类的生活。特别是在航天领域，它符合航天领域的众多太阳系探索任务的需求，支撑这些探测器动辄飞行数十亿公里，耗时数年甚至数十年。可以说，正是人类对核能的开发，才使得人类使者有了飞出太阳系的可能。

人类最早的核电池

其实早在1912年，年仅25岁的英国人亨利·莫塞莱就已经在研究放射性同位素时发现，当放射性物质发生β衰变时会产生高电势能，从而有可能形成一个核电池。他也因此在1913就制造出了人类历史上第一个核电池，虽然还无法投入使用，但这项诺奖级别的成果已经足够保证莫塞莱未来辉煌无比的科学成就。

然而很不幸，1914年第一次世界大战爆发，莫塞莱主动参军。命运开了一个很大的玩笑，1915年年仅28岁的莫塞莱不幸中枪并牺牲在土耳其战场。他的牺牲对于整个世界的震动是巨大的，著名作家阿西莫夫称这次事件恐怕是整个一战中人类最大的牺牲。而科学界自然也掀起了轩然大波，1916年的诺贝尔物理学奖很大程度上因他的死亡而空缺。这是该奖项自1901年起首次空缺，所有评审专家都清楚这个奖项应该颁给谁。

▲ 莫塞莱在牛津的实验室

▲ 阿波罗11-17号飞船，都携带了放射性同位素电机/核电池作为热量/能量来源之一

▲ 海盗1号和海盗2号的轨道器/着陆器

人造同位素的发明

人类对核能的利用极其缓慢，直到二战结束后的航天时代才得以改变。普通的电池工作时间过短，比如世界上第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号，它总重83.6千克，有约51千克就是三块巨大的银锌电池，仅仅给一个功率一瓦的播报器提供了20天的能量。因此，人类在航天任务需求中提出了长期续航的指标，目光很快放到了核能电池上。

▲ 不断裂变中的钚-238能产生源源不断的热量，导致它自身通红

当然，彼时选择核能电池还有一个重要的因素：二战末期验证了核能武器——原子弹的巨大杀伤力，冷战开始后，东西方阵营迅速开始大量制造原子弹核原料。而其中重要产物之一就是在1940年代被人工制造、然后广泛用在核电池中的钚-238放射性同位素。它的半衰期长达惊人的88年，这意味着可以提供长期稳定的电能来源，且衰变过程中的热量也可以用以维持极低温环境下航天器核心器件的工作状态，可谓一举两得。人工制造同位素，比起莫塞莱年代必须寻找天然物质的时代简直容易太多了。

相比传统化学能电池，它的体积和质量大大缩小，相对于当时的航天器寿命而言几乎可以无限续航，苏美疯狂核竞赛也导致它们的成本大大降低：毕竟作为原子弹的副产物，它们的储量库非常巨大。在这种情况下，核电池迅速用到了各种航天探索中。

核电池在航天领域中的应用

核电池的早期成熟应用是在1960年代需要保持长期在轨工作的卫星类型上，例如军事侦察卫星、气象卫星、导航卫星等。苏美发射了大量携带核电池的卫星。当时的太阳能电池技术远不如今天发达，核电池似乎是唯一的选择。

▲ 艺术家笔下的“旅行者1号”在太空示意图

核电池最辉煌的时刻莫过于上世纪60年代末到80年代初，那也是整个人类航天史上最为辉煌的时刻。1969年7月20日“阿波罗11号”登陆月球，它需要在月球表面停留大约21个小时，就已经携带了核电池为飞船提供一定热量，作为燃料电池的补充。而后来的阿波罗12号到17号任务继续沿用了这个方案。

1976年，美国的“海盗1号”和“海盗2号”相继登陆火星，成为真正意义上成功的首批火星着陆器（苏联的“火星3号”在之前着陆后便迅速失联）。两个探测器工作时间均大幅超过预计寿命，“海盗1号”甚至工作了6年多时间（2037天），为科学家们传递回来许多不可思议的科研信息。它们的主要动力和热源就来自携带的放射性同位素电机。

▲ 美国人、苏联人和加拿大人，手持辐射探测仪，贴着皑皑白雪，一寸一寸地搜寻和捡拾宇宙954卫星散落的放射性碎片 （小火箭供图）

1977年是人类历史上极不平凡的一年，此时如果人类发射一个探测器将极有可能遍访所有的外围行星并借助它们的引力助推最终离开太阳系，这种机会仅175年一次，对于当时所有的地球人类而言都是唯一一次看见宇宙的机会。也正是在这种情况下，美国宇航局相继发射了旅行者1号和2号探测器，它们就是本文开篇的主角。直到今天，它们的钚-238放射性同位素电机依然在工作，并预计工作到2030年左右。

人类目前仅有5个探测器能够逃离太阳系，除了这两位使者，还有1972年发射的“先驱者10号”、1973年发射的“先驱者11号”、2006年发射的新视野号（人类首个冥王星探测任务）,它们也全部依赖功率为155/228瓦特的放射性同位素电机，这是它们星际旅行的唯一能量来源。

▲ 欧美合作的卡西尼-惠更斯号探测器

而在2017年华丽谢幕的卡西尼-惠更斯号也同样使用了核电池，它的功率在663-885瓦特之间。对于这个持续近20年、工作区域在约15亿千米外的土星、几乎没有太阳能的探测器而言，核电池就是它的唯一能量来源。同样的故事还发生在木星探测器伽利略号、太阳探测器尤利西斯号等身上。

大名鼎鼎的好奇号火星车更是如此。相比它的前辈不能动的“海盗1号”、“海盗2号”，能动但是能量极其有限（太阳能）的“勇气号”和“机遇号”，“好奇号”直接背着一个硕大的核电池前往火星。它能够源源不断为“好奇号”提供110瓦的电能和2000瓦的热量。这些能量推动着900千克重的“好奇号”在过去的2000多天里走过了超过18公里的距离。

上述大部分任务是携带了核电池作为电能来源的情况，而实际上用小型核辐射装置为一些核心航天器器件保暖的情况就更为广泛。

鉴于核电池的广泛应用潜力，中国也在1971年就做出了第一块以钚-210为主要原料的核电池，并最终在2006年攻克了钚-238核电池技术。它也迅速应用到了嫦娥三号月球着陆器上（主要用于月球夜间保温）。“嫦娥三号”从2013年12月14日成功着陆月球后一直工作到2016年8月，成为人类历史上在月球表面工作时间最长的着陆器，核电池的作用功不可没。

可以说，核电池这项因为人类战争而生的技术，反而成为了人类获得新生的最好机会。它驱动着一个又一个伟大的探测器，踏上探索宇宙未知之旅。★