1988年，美國忍痛讓钚-238這種在其太空探索史上居功甚偉的燃料從此停產(chǎn)。直到25年后，面對即將告罄的庫存，該國毅然重啟钚-238生產(chǎn)線，在今年3月成功生產(chǎn)出了少量的钚-238。既然钚-238如此重要，美國當(dāng)年為何要停產(chǎn)？如今重返舞臺，钚-238能否讓美國的太空任務(wù)從此再無燃料之憂？

今年3月，美國太空探測器“旅行者1”號因其行蹤而引起了國際航天研究者廣泛的關(guān)注。在美國地球物理聯(lián)合會的新聞發(fā)布會上，有科學(xué)家指出，宇宙射線的顯著變化表明，35年前發(fā)射的“旅行者1”號已離開太陽系，成為第一個“逃離”太陽系的人造探測器。雖然這一猜測并沒有得到美國宇航局（NASA）本身的確認(rèn)，但提出上述說法的科學(xué)家也是有自己的“依據(jù)”的：早在去年6月，NASA就已宣布“旅行者1”號已接近太陽系邊界，即將飛入未知的恒星際空間，距離太陽已超過180億公里。迄今為止，“旅行者1”號在太空中已經(jīng)“工作”了35年了。

深空續(xù)航的動力

“旅行者1”號之所以在發(fā)射后這么久還能正常工作，長效核電池功不可沒。它使用的核燃料是钚-238的二氧化物，半衰期為87.7年，這比任何航天器壽命都要長。如果“旅行者1”號仍以當(dāng)前的速率消耗燃料，核電池要到2025年才停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

日常生活中，我們常因手機(jī)電量耗盡、數(shù)碼相機(jī)沒電而感到不便。如果類似的事情發(fā)生在太空中，那就意味著與地球失去聯(lián)系、探測設(shè)備無法工作、探測車無法移動，任務(wù)宣告失敗。

為避免這樣的情況發(fā)生，必須為太空探測器配備經(jīng)久耐用的電源。受航天器體積和任務(wù)時(shí)間的限制，這種電源既不能太大，也不能壽命太短。因?yàn)榉派湫酝凰厮プ儠r(shí)釋放的能量大小和釋放速度不受外界環(huán)境的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場的影響，所以在要求高功率、長壽命、運(yùn)行環(huán)境惡劣的供電領(lǐng)域，核電池是絕佳的選擇。特別是當(dāng)航天器遠(yuǎn)離太陽或位于星球表面上，難以靠太陽能電池長時(shí)間供電時(shí)，能量密度高、使用時(shí)間長的核電源更是唯一的選擇。以去年8月降落在火星表面的美國火星車“好奇”號為例，要在火星上工作兩年的它，電力由一臺“放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器”提供，本質(zhì)上就是一塊核電池。該電池的設(shè)計(jì)使用壽命為14年，可為重達(dá)一噸的“好奇”號提供充足電力。它不但比太陽能電池耐久，也不會像太陽能電池那樣受火星塵埃的影響?！昂闷妗碧柕暮穗姵赜蓛刹糠纸M成：一個裝有钚-238二氧化物的熱源和一組固體熱電偶。熱電偶是一種半導(dǎo)體，可以將钚－238衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能。

而沒有用核電池做能源的探測器往往是短命的。2008年11月2日，“鳳凰”號火星登陸器發(fā)出了最后的信號。由于“鳳凰”號著陸地點(diǎn)的光照出現(xiàn)季節(jié)性減少，不足以為太陽能電池充電，加上突如其來的一場沙塵暴，“鳳凰”號電量耗盡，時(shí)間比預(yù)計(jì)提前了3周。

為了避免未來前往太陽系黑暗角落執(zhí)行任務(wù)的美國航天器不會遭受“鳳凰”號這樣的厄運(yùn)，以及為確保美國能保持在航天領(lǐng)域的優(yōu)勢，钚-238燃料對于美國來說顯然是不可或缺的。

庫存告罄的由來

太空核電池的研發(fā)始于1958年的美國。1961年美國發(fā)射的導(dǎo)航衛(wèi)星“子午儀-4A”首次配備了核電池。該電池外形接近球體，直徑約12.5厘米，重約2千克。個頭雖小，它所提供的電力卻相當(dāng)于一塊重300千克的鎳-銅電池?！白游鐑x-4A”衛(wèi)星在太空運(yùn)行了十多年，大大超過原來的設(shè)計(jì)壽命。

幾十年來，核電池已為許多太空任務(wù)提供過動力。即便是在那些距離地球極其遙遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣的考察任務(wù)中（如飛至太陽系邊緣的“先驅(qū)者”號、飛向木星的“伽利略”號、飛向土星的“卡西尼”號等），核電池也保持著良好的工作業(yè)績。

在核電池的支持下，美國宇航局的探測器揭示了火星、木星、土星和太陽系邊緣的奧秘，但一系列成功曾一度面臨成為絕唱的境遇，因?yàn)轭?238雖然居功甚偉，但也給美國惹了不少麻煩。

1964年，美國發(fā)生一起火箭發(fā)射事故，導(dǎo)致一枚用钚核電池做能源的衛(wèi)星損毀，钚核電池在空中爆炸，導(dǎo)致钚－238泄漏，有害物質(zhì)散落全球。這起事故曾引發(fā)人們對钚-238危害的大討論。僅僅1年后，美國一個情報(bào)小組在喜馬拉雅山上遺失了一個用钚－238核電池提供能源的間諜裝置，這個過失引起的擔(dān)憂顯而易見。

最令人擔(dān)憂的是，钚-238的放射性比用于生產(chǎn)核武器的钚-239要強(qiáng)數(shù)百倍。醫(yī)學(xué)專家指出，人只要吸入灰塵大小的钚-238，就可能導(dǎo)致肺癌。更何況它的半衰期長達(dá)88年，一旦發(fā)生污染，將在很長時(shí)間內(nèi)對污染區(qū)域產(chǎn)生輻射威脅，在自然作用下很難消除影響。此外，政府官員也承認(rèn)，生產(chǎn)钚-238會產(chǎn)生大量的有毒放射性廢物，這也是美國政府忍痛停止生產(chǎn)钚-238的原因。

能否再顯神通？

從1988年開始，美國不再生產(chǎn)钚-238，此后核電池所用的钚-238或者使用庫存，或者從俄羅斯進(jìn)口。但最近幾年，美國钚-238存量已經(jīng)到了即將用完的程度，而俄羅斯也在2010年不再出口钚-238到美國。如果沒有新的供應(yīng)，探索太陽系的活動可能很快就會戛然而止?！叭绻恢匦聠宇?238的生產(chǎn)，無論是美國，還是任何其他國家在10年后都不可能有能力再進(jìn)行某些重要類型的行星任務(wù)。”美國國家研究委員會在2011年的一份報(bào)告中得出了這個結(jié)論。

面對可能出現(xiàn)的“無钚可用”的局面—钚-238目前庫存只剩16.8千克，美國唯有尋求自給自足。直到2012年，美國眾議院才同意開始重新生產(chǎn)钚-238，以減少對外依賴。今年3月，美國宇航局的官員宣布，該國經(jīng)過測試生產(chǎn)，已經(jīng)在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室成功生產(chǎn)出了極少量的钚-238，為避免這種重要的航天器燃料短缺局面邁出關(guān)鍵一步。“我們希望能源部（DOE）在今年晚些時(shí)候給一個完整的時(shí)間表，然后讓钚的生產(chǎn)重新走上軌道，每年大約生產(chǎn)出1.5千克。它的進(jìn)展會相當(dāng)順利?！泵绹詈骄中行强茖W(xué)部主任吉姆·格林樂觀地預(yù)測說。

問題是，钚-238制造起來很復(fù)雜，成本也很高，全面重新啟動生產(chǎn)線將需要數(shù)年時(shí)間，耗資約1億美元。要五六年后才能產(chǎn)出新的钚-238，平均每年只能生產(chǎn)1.5千克，而目前在太空任務(wù)上每年要消耗幾千克的钚-238。

除了試驗(yàn)新的方法更高效地生產(chǎn)钚-238以外，如何精打細(xì)算使用核燃料也是核電池使用中的重要問題。目前的核電池幾乎都是“靜態(tài)熱電型”溫差發(fā)電器，熱電轉(zhuǎn)換效率較低。最近十幾年，“動態(tài)型”同位素發(fā)電系統(tǒng)已開始工程設(shè)計(jì)和論證。它先將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。此外，有些可用可不用钚-238的航天器，也改用太陽能電池，例如2011年發(fā)射的“朱諾”木星探測器。未來美國想要保持在深空探索領(lǐng)域的優(yōu)勢，除了繼續(xù)生產(chǎn)钚-238之外，或許開發(fā)新的高密度能源，才是提升未來航天器續(xù)航力的解決之道。