宇宙探索:未来航天器的能源

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动力系统是航天器的一个关键机件。它们需要能够在极端环境下运转,并且绝对可靠。然而,随着航天器越来越复杂,电力需求不断增长,电力技术的未来会怎样呢?

最新的手机可以在不充电的情况下勉强撑过一天。然而38年前发射的旅行者号(Voyager)航天探测器,现在仍在从我们的太阳系边缘外给我们发送信息。旅行者号探测器能够高效地每秒处理81,000条指令,但普通智能手机比之快7,000多倍。

当然,你的手机设计为定期充电,不太可能离最近的插座几百万英里远。航天器距离最近的充电站有1亿英里远,为航天器充电是不切实际的。相反,航天器必须能够储存或产生足够的电能,以保证在太空中运转数十年。事实证明,这是相当困难的事情。

虽然航天器上有些系统只是偶尔需要动力,但其他的则需要保持不间断运转。转发器和接收器需要随时处于活动状态,如果是载人航天器或太空站,还需要生命保障和照明。

劳·苏拉姆普第(Rao Surampudi)博士是加州理工学院喷气推进实验室的电力技术项目经理。30多年来他一直在为美国国家航空航天局的各种航天器开发动力系统。

苏拉姆普第表示,航天器的动力系统通常约占航天器重量的30%,可分解成三个不同的子系统:

  • 发电系统
  • 储能系统
  • 电源管理和分配系统

这些系统对于航天器的运转起到至关重要的作用。它们必须重量小、使用寿命长并且能量高,因为它们必须利用相对较小的体积产生大量的能量。它们还必须具备经过证实的可靠性,因为至少可以这样说,将人员送入太空完成维修是不切实际的。

这些系统不仅必须能够提供足够的能量,以满足所有航天器上系统的电源需求,还必须能够在任务的整个期限内满足这样的电源需求,而这个期限可能是数十年,甚至几百年。苏拉姆普第说:“预期的寿命必须较长,因为如果出现问题,你不能去到那里修复它。去木星将需要五至七年,去冥王星将需要十年以上,而离开我们的太阳系将需要20至30年。”

由于航天器在独特的环境下运转,航天器的动力系统还必须能够在零重力和真空条件下运转,并且能够耐受大量的辐射(在这样的环境下,大多数电子设备将无法运行)和极端的温度。苏拉姆普第说:“如果你要登上金星,温度可能高达460°C (860°F),但如果你要在木星上‘着陆’,温度可能低至-150°C (-238°F)。”

对于将要发射到我们的太阳系中心的航天器,会有丰富的太阳能为其光电太阳能电池板提供能量。航天器的太阳能电池板可能看起来很像传统的家用太阳能电池板,但相比家用太阳能电池板,它们的效率要高得多。

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Image caption 太阳能为航天器搭载的光电太阳能电池板提供能量(图片来源:Getty)

因过于靠近太阳,温度持续上升,还会导致太阳能电池板过热。转动太阳能电池板,使其背向太阳,限制其接触强烈的光线,这样做可以缓解这种状况。

随着航天器进入行星轨道,太阳能电池板的效率开始降低;由于日蚀和穿过行星的阴影,它们变得无法生成那么多的能源。这就需要可靠的能源储存系统。

原子系统

这类能量储存系统之一便是镍-氢电池,这种电池可以重复充电超过50,000次,使用寿命超过15年。与不在太空中运行的商用电池不同,这种电池是密封的系统,可以在真空中运行。

离太阳越远,太阳辐射越小,在地球附近为1,374 W/m²,在木星附近减至50 W/m²,而在冥王星附近则只有稀少的1 W/m²。所以,当航天器飞离木星的轨道时,科学家利用原子系统为航天器提供动力。

最常见的类型是放射性同位素热电发电机(或简称RTG),其已被用于旅行者号(Voyager)、卡西尼号(Cassini)和好奇号火星探测车(Curiosity Rover)。这些是固态设备,因为它们没有移动部件。它们利用钚等元素的放射性衰变产生热量,典型使用寿命超过30年。

如果无法使用RTG,例如,如果防护宇航员所需的防辐射装置重量导致无法使用RTG,并且与太阳的距离导致无法利用太阳能电池板,则可以选择燃料电池。

氢氧燃料电池已被用于阿波罗号(Apollo)和双子星号(Gemini)航天任务。虽然氢氧燃料电池不能充电,但它们确实拥有高比能量,并且其唯一的排放物是水蒸气,而这些水蒸气宇航员是可以喝的。

美国国家航空航天局和喷气推进实验室正在研究,让未来电力系统能够利用更少的空间,生成和储存更多的能量,并且使用寿命更长。然而,新航天器需要更多的能源储备,因为它们携带的系统正变得越来越复杂并且需要更多能量。

对于使用电力推进系统(比如离子推进器,这种推进器1998年首次用于深空一号(Deep Space 1),现在广泛用于各种航天器)的航天器,这样的高能源需求尤为迫切。电力推进系统通常借助电发射推进燃料高速运行,但也有些使用电动绳系系统,通过与行星的磁场交互,将航天器向前推进。

地球上的大部分电力系统将无法在太空中运行。因此,任何新的电力系统都要经过严格测试,才可以安装在航天器上。美国国家航空航天局和喷气推进实验室使用他们的实验室模拟恶劣环境,将辐射用于新组件和系统,并让它们经受极端温度,以此试验新技术。

延长使用寿命

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Image caption 未来的航天器燃料可能还要用来为这样的航空站提供电力(图片来源:Science Photo Library)

目前正在研发斯特林放射性同位素发电机,供未来任务使用。这些发电机基于现有的RTG,虽然它们的工艺可能更为复杂,但相比其他同类热电系统,它们高效得多并且体积小得多。

用于美国国家航空航天局的木卫二(木星的卫星之一)航空计划的新型电池也在研发中。这些电池设计在-80°C (-112°F)至-100°C (-148°F)的温度下运行。先进的锂离子电池目前正在研发中,它们的储能量翻倍。这种能量密度的增加会延长电池的使用寿命,例如,宇航员在月球上逗留的时间可以翻倍。

目前正在研发新太阳能电池,用于光照强度和温度较低的环境下,这意味着太阳能动力航天器将能够进一步离开太阳能实现独立运转。

未来某一天,美国国家航空航天局将会设法在火星上建立永久性载人基地,之后还可能在其他行星上建立永久性载人基地。这些未来发电系统将需要比目前大得多,以便它们可以为时间更长的任务产生足够的能量。

月球上有丰富的氦-3元素,这种元素在地球上属于稀有元素,是核聚变发电的理想燃料来源。但是,核聚变目前不够稳定或不够可靠,不适合为航天器提供动力。此外,典型的核聚变反应堆,如托卡马克装置,通常置于飞机机库大小的建筑中,体积太过庞大,不适合安装在航天器上。

但核反应堆如何呢,尤其对于电动航天器和登陆月球或火星计划的任务?航天器的核电发电机可能成为航空站的动力装置,而不是为航空站携带独立发电系统。

核电推进航天器正被考虑用于时间更长的未来任务。苏拉姆普第说:“小行星捕获任务要求使用较大的太阳能电池板,以提供足够的电推进力,让航天器能够围绕小行星移动。目前我们正在考虑利用太阳能电力推进,但核电推进成本更低。”

不过,核动力航天器还要很多年才能实现。苏拉姆普第称:“技术尚不成熟。我们需要确保发射安全。”必须进行严格的测试,以确认这种动力装置能够承受宇宙飞行的压力。

正在研发的这些新电力系统将能够让航天器运转更长的时间,运行更远的距离,但目前处于早期评估阶段。然而一旦通过实验,这些电力系统将成为人类登陆火星及其他行星的必要组件。

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(责编:友义)

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