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寻找钚元素的替代品

admin  发表于 2017年12月06日

美国航空航天局(NASA)最近遭遇钚元素严重短缺危机,而这会危及将来的深空任务。

2013年,美国能源部宣布在时隔25年后,重新开始生产钚-238。钚元素核电池电力持久,自1969年来已经用于很多太空任务中。然而25年没有生产新的钚元素造成了目前的被动局面。到2021年,每年新生产的钚元素只够用于2.5个核电池模块(仅火星探测器“好奇”号就需要8个核电池模块)。产量低,再加上现有库存少,仅靠钚元素肯定无法满足未来10年已规划的、前往土星和木星的寒冷卫星的任务。因此NASA一直都在寻找替代品。最近他们瞄上了一种一直为美国海军鱼雷提供动力的技术。

这项技术名为“储存化学能动力系统”(Stored Chemical Energy Power System,简称SCEPS),美国海军在上世纪20年代首次对其进行试验,但直到80年代,宾夕法尼亚州立大学的工程师才将其改造用于鱼雷上,改造后的鱼雷速度足够快,潜入深度足够深,可以用来追击苏联潜艇。SCEPS 的能量来自两个高能量密度反应物——锂和六氟化硫之间的化学反应,这两个反应物在使用前一直分开存储。在鱼雷的SCEPS系统中,锂以固体块形式存储,而惰性气体六氟化硫则被存储在一个罐子中。一旦启动,二者反应释放出的热量就会驱动鱼雷的蒸汽涡轮,产生数千千瓦的功率。

NASA在使用时会改变具体的化学反应。宾夕法尼亚大学的一位空间系统工程师迈克尔·保罗(Michael Paul)提出,在金星上执行一次演示任务,装备SCEPS的机器人登陆器使用金星大气中的二氧化碳来与锂反应。用反应释放的热量来驱动发电机,功率相当于3个灯泡;在太空任务中能拥有这样的发电能力可是极为可观的(火星漫游车“勇气”号和“机遇”号只能靠着太阳能产生的可供一个灯泡发光的电量来运行)。今年7月,NASA的“创新先进概念”项目(Innovative Advanced Concepts program)给保罗拨款50万美元,用于准确测定类似环境下二氧化碳与锂的反应效率。此外,保罗还将和行星科学家合作,向NASA提供把SCEPS应用于其他任务的建议。

约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的物理学家拉尔夫·麦克纳特(Ralph McNutt)是NASA于今年7月召开的关于美国可用钚元素供给研讨会的主席,他认为,尽管在未来若干年或者几十年内,深空任务仍离不开核能,因为“旅行者”号、“卡西尼”号、“新视野”号已经取得了很多成功,但是SCEPS“令人兴奋”。

前沿 (1).jpg

如果保罗的做法可行,那么SCEPS提供的能量不仅可以让使用核电池的探索任务得到更多支持,也可以用在那些离太阳太远而无法使用太阳能的任务中。或许有一天,这项技术可以驱动漫游车去探索月球背面永远处于阴影中的陨坑,驱动火星车在几乎没有阳光的地方进行钻探,或者在寒冷的木卫二上,为电子元件保温。SCEPS甚至可能为前往较近的目的地——只需几天或几周而非几年的短途任务,提供所需的全部能量。


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