核廢料助航天器探索宇宙更深處

劉霞

英國《自然》網(wǎng)站在近日的報道中指出，當?shù)貢r間11月22日至23日在巴黎召開的歐洲空間局（ESA）理事會會議上，ESA同意資助名為“使用放射性同位素能源的歐洲設備”（ENDURE）的計劃。該計劃旨在開發(fā)由放射性同位素镅-241提供電能的裝置，以替代現(xiàn)有的钚-238電池，助力歐盟探索月球及更遙遠的地方。

《自然》在報道中指出，歐洲科學家正在開發(fā)一種以核廢料镅-241為動力的電池，ESA希望，到本世紀末，這些裝置能為航天器長效供電而不依賴太陽能電池板，以助力該機構(gòu)探索月球及太陽系的遙遠區(qū)域。

ESA擬向ENDURE項目提供3000萬美元資助。該項目聯(lián)合負責人、歐洲空間研究與技術(shù)中心的賈森·哈頓表示：“歐洲空間局未來有多項雄心勃勃的太空探索任務，如果我們想在探索中擁有自主權(quán)，就需要擁有由自己研發(fā)的長效電源。”

目前，對于無法由太陽能完成的任務，ESA都依賴美國或俄羅斯合作伙伴研制的钚-238電池為相關任務提供動力。但在過去10年中，钚-238一直供不應求，生產(chǎn)成本高昂。

長期以來，缺乏電源限制了歐洲科學家單獨提出的太空任務的開展。例如，2014年，ESA的“菲萊”彗星著陸器降落于彗星上太陽光照射不到的地方，其上的太陽能電池板變得毫無用處，導致“菲萊”只運行了不到3天就進入深度休眠狀態(tài)。

支持這項新計劃的ESA咨詢委員會主席、法國梅東巴黎天文臺的天體物理學家阿西娜·庫斯坦尼斯說：“多年來，歐洲科學家一直在說，如果你想去很遠的地方，或者去黑暗寒冷的地方，沒有其他辦法。”

镅是钚衰變產(chǎn)生的副產(chǎn)品，也是核廢料中目前較難處理的一種成分，此前從未被用作燃料。

ENDURE項目共同負責人維洛妮克·費萊·卡弗魯瓦表示，與钚相比，镅最大的優(yōu)勢是它更便宜、更豐富，可以將原本無用的廢物重新利用。ESA登月任務協(xié)調(diào)人馬庫斯·蘭格拉夫則指出，镅的半衰期比钚-238長，這意味著它的壽命更長。盡管每克镅含有的能量更少，但由于其更容易獲得，因此提供同等電力的成本約是使用钚的1/5。

钚-238是在用中子輻照镎靶的過程中制造而成。英國國家核實驗室的研究表明，镅可以從民用發(fā)電廠使用的再加工核燃料中提取出來，并制成燃料球，構(gòu)成電池的核心。

在接下來的3年里，ENDURE團隊將開發(fā)可在探月等任務類似條件下進行測試的模型。在與英國國家核實驗室的合作中，英國萊斯特大學的一個團隊開發(fā)出了兩種設備：一種放射性同位素加熱裝置，它利用镅衰變過程中產(chǎn)生的熱量加熱儀器；另一種放射性同位素熱電發(fā)電機，它利用在金屬板之間產(chǎn)生溫差來發(fā)電。

領導上述項目的萊斯特大學物理學家及空間動力系統(tǒng)專家理查德·安布羅西說，這兩種裝置表明，镅在給定輸出功率下電池體積更大、溫度也比钚更低。研究團隊希望未來能解決這兩大問題。

安布羅西表示，由于使用放射性材料，電池的安全也至關重要。他們的研究團隊計劃，接下來側(cè)重安全測試，以便镅裝置能夠獲得安全認證。測試將包括監(jiān)測部件在高溫和沖擊下的行為，例如在發(fā)射臺爆炸時，可以確保放射性材料不會泄漏。他說：“我們必須確保這些設備能夠在一系列非常極端的情況下生存下來。”

費萊·卡弗魯瓦表示，這些電源系統(tǒng)一旦研制成功，可以在任何無法使用太陽能的任務中發(fā)揮作用。比如，在月球上持續(xù)14個地球日的夜晚開展探索任務，以及應用于木星以外的太陽系探險任務中。

ESA登月任務協(xié)調(diào)人蘭格拉夫表示，ESA計劃首先在其Argonaut月球著陸器上使用镅-241電池，該著陸器計劃于2030年代初發(fā)射，將在月球表面開展長期研究。到本世紀40年代，镅-241電池將能為前往天王星和海王星的任務提供電力。

蘭格拉夫說，镅很容易獲得，而生產(chǎn)钚-238則面臨不少挑戰(zhàn)，美國國家航空航天局（NASA）或許也想使用镅-241電池，該機構(gòu)正在評估為未來任務生產(chǎn)足夠放射性同位素熱電發(fā)電機的能力，用于在月球上建立長期根據(jù)地的阿爾忒彌斯計劃。

安布羅西指出，經(jīng)過十多年研究，镅技術(shù)才發(fā)展到可用于實際任務的階段，“對此，我們非常興奮”。