科學探索：為什么NASA的毅力號火星探測器使用核能？

NASA的毅力號火星漫游車展示了其MMRTG插入的位置，在右側(cè)由金管標注的面板之間。圖片來源： NASA and JPL-Caltech
航空飛船的性能是由其動力源決定的，所以當NASA在設(shè)計毅力號火星探測器時使用了放射性钚。這些钚單元是一類相當不錯的飛船能源——NASA的好奇號火星探測器就使用了相似的設(shè)備。
“NASA喜歡探索，我們不得不在一些極其遙遠、多塵、黑暗的地方和惡劣的環(huán)境中進行探索”NASA位于俄亥俄州的格倫調(diào)查中心的核燃料專家June Zakrajsek在美國能源部（DOE）關(guān)于毅力號任務(wù)的播客中這樣說?！拔覀冊谶@種環(huán)境中，太陽能有時不能為我們提供所需的能量。光線就是不能到達我們所需要的位置?！?br> 當然，一些NASA的火星探測任務(wù)使用了太陽能，現(xiàn)在在火星上的洞察號著陸器就搭載了太陽能電池板，本世紀初的勇氣號和機遇號火星車這對“雙胞胎”也一樣。但由于火星上太陽能很微弱，機遇號已淪為了一個擺設(shè)，因為一場巨大的沙塵暴阻斷了它步入陽光的路，而它也就此駛向終結(jié)。但如果將核能作為火星車的能源，我們就不需要為這種情況擔憂。所以在毅力號探測車的設(shè)計上，NASA轉(zhuǎn)而在一個名為多任務(wù)放射性同位素熱電發(fā)生器（MMRTG）的系統(tǒng)中使用了钚，它能夠為飛船提供大約14年的能量。


圖片來源：Pixabay
美國橡樹嶺國家實驗室的核能專家Bob Wham在同一播客中說：“在沒有延長線，也沒有修理工的情況下，它就必須是完全可靠的?！闭缫懔μ柣鹦擒囀Ｏ碌牟糠?，MMRTG很大程度上借鑒了好奇號火星車。好奇號火星車于2011年發(fā)射，于2012年在火星著陸并穩(wěn)定工作至今。根據(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)，毅力號火星車搭載MMRTG已經(jīng)投入使用了七年，其工作時間和為好奇號火星車供能的上一代產(chǎn)品幾乎一樣長，價格高達7500萬美元。（其他種類的核動力源也曾執(zhí)行過深空航行任務(wù)，例如有40年歷史的旅行者號探測器和穿越土星環(huán)的卡西尼號飛船。）
按照設(shè)計，毅力號的MMRTG能產(chǎn)生110瓦特的功率，大概與一個電燈泡的能耗相同。钚將會衰變并散發(fā)熱量，發(fā)電機會將其轉(zhuǎn)化為能量，為火星車上的設(shè)備供能，并產(chǎn)生足夠的熱量以保護航天器免受火星上寒夜和寒冬的影響。钚是由一種與現(xiàn)在完全不同的元素镎制備而來的，科學家在核反應(yīng)堆中用中子照射了它兩個月，才將其轉(zhuǎn)化為MMRTG所需的钚。接下來，钚又與陶瓷混合在一起制成化合物，相比于用在武器中的那些，它更加安全。
盡管如此，將一個核動力源放在火箭的頂部還是需要一些預防措施的。最重要的是每一個钚顆粒都封閉于銥中，如果它落回地球，銥將會把放射性物質(zhì)控制在內(nèi)部。根據(jù)NASA和美國能源部的說法，這曾三度發(fā)生于空間核動力源上，但沒有一次造成任何損害，其中一個動力源甚至從海洋中被捕撈出來供另一項任務(wù)使用。


圖片來源：Pixabay
NASA給這一發(fā)射任務(wù)的控制小隊增強了人手，以協(xié)調(diào)任務(wù)中核方面的任何必要應(yīng)對措施。為了毅力號的發(fā)射，美國政府預估了發(fā)射當天可能出現(xiàn)的所有意外事件，涵蓋了從發(fā)射前可能產(chǎn)生一系列地理影響的問題到升空后地球軌道阻礙飛船駛向火星的問題。
根據(jù)美國政府的模型，這兩種情況發(fā)生的概率都小于0.1%。如果在發(fā)射過程中確實發(fā)生了問題，計算表明最嚴重的核泄漏相當于美國居民受到八個月的核輻射。毅力號現(xiàn)在已經(jīng)被安裝到發(fā)射臺上，搭載了包含32個銀色的熱塊狀燃料的MMRTG，準備被發(fā)射至火星。與好奇號不同的是，毅力號的一部分是由美國全新制造的。根據(jù)好奇號降落后Slate網(wǎng)站的報道，這些任務(wù)中使用的钚來自核武器制造過程中的副產(chǎn)品。美國政府在上世紀80年代終止了這一類钚的供應(yīng)，因為他們認為這些钚已經(jīng)足夠使用了。
但最近，NASA一直在限制這一能源的供給，這就是美國能源部在2015年決定重新開始生產(chǎn)钚的原因。根據(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在每年能生產(chǎn)14盎司（400克）钚，并著眼于在2026年每年生產(chǎn)3.3磅（1.5千克）至于這些钚的去向，NASA未來的核動力任務(wù)已經(jīng)在進行當中。該機構(gòu)的蜻蜓任務(wù)指一架飛向土星奇怪大型衛(wèi)星泰坦的無人機，它將由MMRTG供能。這一航天器計劃將于2026年發(fā)射。
作者：Meghan Bartels，美國紐約的自由科學撰稿人。
翻譯：魏沁悅
審校：費哲妮
引進來源：科學美國人
引進鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/strongest-evidence-yet-shows-air-pollution-kills/


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