宇宙探索:未來航天器的能源

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動力系統是航天器的一個關鍵機件。它們需要能夠在極端環境下運轉,並且絕對可靠。然而,隨著航天器越來越複雜,電力需求不斷增長,電力技術的未來會怎樣呢?

最新的手機可以在不充電的情況下勉強撐過一天。然而38年前發射的旅行者號(Voyager)航天探測器,現在仍在從我們的太陽系邊緣外給我們發送信息。旅行者號探測器能夠高效地每秒處理81,000條指令,但普通智能手機比之快7,000多倍。

當然,你的手機設計為定期充電,不太可能離最近的插座幾百萬英里遠。航天器距離最近的充電站有1億英里遠,為航天器充電是不切實際的。相反,航天器必須能夠儲存或產生足夠的電能,以保證在太空中運轉數十年。事實證明,這是相當困難的事情。

雖然航天器上有些系統只是偶爾需要動力,但其他的則需要保持不間斷運轉。轉發器和接收器需要隨時處於活動狀態,如果是載人航天器或太空站,還需要生命保障和照明。

勞·蘇拉姆普第(Rao Surampudi)博士是加州理工學院噴氣推進實驗室的電力技術項目經理。30多年來他一直在為美國國家航空航天局的各種航天器開發動力系統。

蘇拉姆普第表示,航天器的動力系統通常約佔航天器重量的30%,可分解成三個不同的子系統:

  • 發電系統
  • 儲能系統
  • 電源管理和分配系統

這些系統對於航天器的運轉起到至關重要的作用。它們必須重量小、使用壽命長並且能量高,因為它們必須利用相對較小的體積產生大量的能量。它們還必須具備經過證實的可靠性,因為至少可以這樣說,將人員送入太空完成維修是不切實際的。

這些系統不僅必須能夠提供足夠的能量,以滿足所有航天器上系統的電源需求,還必須能夠在任務的整個期限內滿足這樣的電源需求,而這個期限可能是數十年,甚至幾百年。蘇拉姆普第說:「預期的壽命必須較長,因為如果出現問題,你不能去到那裏修複它。去木星將需要五至七年,去冥王星將需要十年以上,而離開我們的太陽系將需要20至30年。」

由於航天器在獨特的環境下運轉,航天器的動力系統還必須能夠在零重力和真空條件下運轉,並且能夠耐受大量的輻射(在這樣的環境下,大多數電子設備將無法運行)和極端的溫度。蘇拉姆普第說:「如果你要登上金星,溫度可能高達460°C (860°F),但如果你要在木星上『著陸』,溫度可能低至-150°C (-238°F)。」

對於將要發射到我們的太陽系中心的航天器,會有豐富的太陽能為其光電太陽能電池板提供能量。航天器的太陽能電池板可能看起來很像傳統的家用太陽能電池板,但相比家用太陽能電池板,它們的效率要高得多。

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Image caption 太陽能為航天器搭載的光電太陽能電池板提供能量(圖片來源:Getty)

因過於靠近太陽,溫度持續上升,還會導致太陽能電池板過熱。轉動太陽能電池板,使其背向太陽,限制其接觸強烈的光線,這樣做可以緩解這種狀況。

隨著航天器進入行星軌道,太陽能電池板的效率開始降低;由於日蝕和穿過行星的陰影,它們變得無法生成那麼多的能源。這就需要可靠的能源儲存系統。

原子系統

這類能量儲存系統之一便是鎳-氫電池,這種電池可以重覆充電超過50,000次,使用壽命超過15年。與不在太空中運行的商用電池不同,這種電池是密封的系統,可以在真空中運行。

離太陽越遠,太陽輻射越小,在地球附近為1,374 W/m²,在木星附近減至50 W/m²,而在冥王星附近則只有稀少的1 W/m²。所以,當航天器飛離木星的軌道時,科學家利用原子系統為航天器提供動力。

最常見的類型是放射性同位素熱電發電機(或簡稱RTG),其已被用於旅行者號(Voyager)、卡西尼號(Cassini)和好奇號火星探測車(Curiosity Rover)。這些是固態設備,因為它們沒有移動部件。它們利用鈈等元素的放射性衰變產生熱量,典型使用壽命超過30年。

如果無法使用RTG,例如,如果防護宇航員所需的防輻射裝置重量導致無法使用RTG,並且與太陽的距離導致無法利用太陽能電池板,則可以選擇燃料電池。

氫氧燃料電池已被用於阿波羅號(Apollo)和雙子星號(Gemini)航天任務。雖然氫氧燃料電池不能充電,但它們確實擁有高比能量,並且其唯一的排放物是水蒸氣,而這些水蒸氣宇航員是可以喝的。

美國國家航空航天局和噴氣推進實驗室正在研究,讓未來電力系統能夠利用更少的空間,生成和儲存更多的能量,並且使用壽命更長。然而,新航天器需要更多的能源儲備,因為它們攜帶的系統正變得越來越複雜並且需要更多能量。

對於使用電力推進系統(比如離子推進器,這種推進器1998年首次用於深空一號(Deep Space 1),現在廣泛用於各種航天器)的航天器,這樣的高能源需求尤為迫切。電力推進系統通常借助電發射推進燃料高速運行,但也有些使用電動繩系系統,通過與行星的磁場交互,將航天器向前推進。

地球上的大部分電力系統將無法在太空中運行。因此,任何新的電力系統都要經過嚴格測試,才可以安裝在航天器上。美國國家航空航天局和噴氣推進實驗室使用他們的實驗室模擬惡劣環境,將輻射用於新組件和系統,並讓它們經受極端溫度,以此試驗新技術。

延長使用壽命

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Image caption 未來的航天器燃料可能還要用來為這樣的航空站提供電力(圖片來源:Science Photo Library)

目前正在研發斯特林放射性同位素發電機,供未來任務使用。這些發電機基於現有的RTG,雖然它們的工藝可能更為複雜,但相比其他同類熱電系統,它們高效得多並且體積小得多。

用於美國國家航空航天局的木衛二(木星的衛星之一)航空計劃的新型電池也在研發中。這些電池設計在-80°C (-112°F)至-100°C (-148°F)的溫度下運行。先進的鋰離子電池目前正在研發中,它們的儲能量翻倍。這種能量密度的增加會延長電池的使用壽命,例如,宇航員在月球上逗留的時間可以翻倍。

目前正在研發新太陽能電池,用於光照強度和溫度較低的環境下,這意味著太陽能動力航天器將能夠進一步離開太陽能實現獨立運轉。

未來某一天,美國國家航空航天局將會設法在火星上建立永久性載人基地,之後還可能在其他行星上建立永久性載人基地。這些未來發電系統將需要比目前大得多,以便它們可以為時間更長的任務產生足夠的能量。

月球上有豐富的氦-3元素,這種元素在地球上屬於稀有元素,是核聚變發電的理想燃料來源。但是,核聚變目前不夠穩定或不夠可靠,不適合為航天器提供動力。此外,典型的核聚變反應堆,如托卡馬克裝置,通常置于飛機機庫大小的建築中,體積太過龐大,不適合安裝在航天器上。

但核反應堆如何呢,尤其對於電動航天器和登陸月球或火星計劃的任務?航天器的核電發電機可能成為航空站的動力裝置,而不是為航空站攜帶獨立發電系統。

核電推進航天器正被考慮用於時間更長的未來任務。蘇拉姆普第說:「小行星捕獲任務要求使用較大的太陽能電池板,以提供足夠的電推進力,讓航天器能夠圍繞小行星移動。目前我們正在考慮利用太陽能電力推進,但核電推進成本更低。」

不過,核動力航天器還要很多年才能實現。蘇拉姆普第稱:「技術尚不成熟。我們需要確保發射安全。」必須進行嚴格的測試,以確認這種動力裝置能夠承受宇宙飛行的壓力。

正在研發的這些新電力系統將能夠讓航天器運轉更長的時間,運行更遠的距離,但目前處於早期評估階段。然而一旦通過實驗,這些電力系統將成為人類登陸火星及其他行星的必要組件。

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(責編:友義)

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