作者:辛雨 来源:中国科学报 发布时间:2022/12/21 15:46:20
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欧洲科学家探索用核废料为航天器提供动力

 

欧洲航天局希望其阿尔戈登月任务(构想图)将由使用核元素镅的电池供电。图片来源:ESA

欧洲科学家正在开发一种用于太空任务的电池,该电池由核废料提供动力。欧洲航天局(ESA)希望,到本世纪末,这项技术将使其能够运行不依赖太阳能电池板的航天器,并且可以在不依赖国际合作伙伴设备的情况下探索月球和遥远的太阳系。

在近日于法国巴黎举行的ESA部长理事会会议上,部长们同意为一项名为“使用放射性同位素能源设备”(ENDURE)的计划提供2900万欧元(3000万美元)的资金。该计划旨在开发以放射性元素镅-241为动力的长效热能和电力装置,为ESA在21世纪30年代初的一系列月球任务提供支持。

“如果我们想在探索中拥有自主权,我们就需要这些能力。”欧洲空间研究与技术中心(ESTEC)ENDURE计划联合负责人Jason Hatton说,ESA不断增长的太空雄心意味着它需要自己的持久动力来源。

镅是钚衰变的一个副产品,从未被用作燃料。无论是因为遮阴还是因为距离太阳太远,对于太阳能无法满足的任务,ESA一直依赖美国或俄罗斯,自太空竞赛以来,这两个国家就一直使用钚-238电池为任务提供动力。例如,美国宇航局制造了钚电池,在2005年“惠更斯”号探测器降落到土星的卫星土卫六时为其提供了温暖。但是钚-238在过去十年里一直供不应求,而且生产成本很高。

由于俄乌冲突,ESA切断了与俄罗斯的联系。法国巴黎天文台天体物理学家Athena Coustenis认为,当前的政治形势表明,不能总是依赖合作伙伴。

长期以来,缺乏动力源一直限制着欧洲科学家提出的单独任务,也限制了其他任务。ESA在2014年敏锐地感受到其放射性同位素电源的缺乏,当时其彗星着陆探测器“菲莱”只运行了不到三天,由于它最终落在了一个阴暗地带,太阳能电池板无法发挥作用。Coustenis说:“多年来,欧洲科学家一直在说,如果你想走得更远,或者到黑暗寒冷的地方,没有其他方法。”

ESTEC的ENDURE计划联合负责人Véronique Ferlet-Cavrois认为,与钚相比,镅的最大优势在于它更便宜、储量更丰富,可以实现原本无用废料的再利用。

钚-238的制造过程分为两个阶段,其中包括用中子辐照一个镎靶。英国国家核实验室(NNL)的研究人员已经证明,镅可以从民用发电厂使用的再加工核燃料中提取,并制成燃料球,形成电池的核心。Hatton透露,ENDURE计划的一部分将包括提高镅的产能,以满足电池所需。

镅的半衰期比钚-238长,这意味着它的寿命更长,但每克的功率更小。由于镅更容易获得,生产一瓦电力的成本大约是使用钚的五分之一,在ESTEC协调未来月球任务的Markus Landgraf指出。

在接下来的三年里,ENDURE团队将把原型开发成可以在类似任务条件下测试的模型,作为可用设备的先驱。在与NNL的合作中,英国莱斯特大学的一个团队开发了两种类型的设备:一种是放射性同位素加热装置,它用衰变镅中产生的热量来加热仪器,另一种是放射性同位素热电发生器(RTGs),它通过在金属板上产生温度差来进行热量发电。

莱斯特大学太空动力系统的物理学家Richard Ambrosi说,研究人员设计了这两种类型的设备,以考虑到与钚相比,镅在给定功率输出下的体积更大,温度更低。

由于使用了放射性材料,安全也是至关重要的。他表示,这些装置被多层封装在包括铂金合金在内的各层中,在密封镅的同时允许热量逸出。该计划的下一阶段将集中于安全测试,以便镅装置能够获得发射认证。测试将包括监测组件在高温和冲击下的行为。例如,在发射台上发生爆炸时,要确保放射性物质不会泄漏。

Ferlet-Cavrois说,一旦开发出来,同样的基本电力系统可以在任何无法使用太阳能的任务中重复使用。在月球上持续14个地球日的夜晚,以及在木星以外的太阳系的探险中,都是如此。

ESA发射镅动力源的第一个目标是它的阿尔戈号月球着陆器,计划在21世纪30年代初发射。Landgraf介绍,该任务将在月球表面进行长期研究并支持在那里工作的宇航员。

Ferlet-Cavrois说:“在21世纪40年代,ESA希望向冰巨星天王星和海王星的任务提供动力。这些行星只在20世纪80年代美由国宇航局的旅行者2号探测器飞越时被研究过。”

 
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