NASA 空間核動力探索之路：熱情未減但預算有限

原標題：NASA 空間核動力探索之路：熱情未減但預算有限

美國的太空計劃長期以來在公眾的想像中佔有特殊的地位，但是 NASA 的任務卻受到預算限制。NASA 必須明智地利用其資金來實施平衡的、成本效益高的項目，以開發可支持的技術，如為未來任務提供電力的技術。John Casani 作為航行者，伽利略，卡西尼這三個成功任務的前項目經理，以及被取消的普羅米蒂-冰衛星軌道飛行器，從他的角度分享了一些信息。

空間核動力長期以來被認為是空間科學和探索的一項有利技術。NASA 的許多偉大成就都依賴於放射性同位素核動力：海盜號、航海家號、伽利略號、卡西尼號、新地平線號、好奇號。然而 1988 年，美國停止製造 Pu-238，作為放射性同位素熱電發生器(RTGs)的熱源。由於現有的供應可能很快就會耗盡，NASA 正計劃每年投資大約 1 億美元重新啟動 Pu-238 生產，預計在未來幾年內將產生數百克的產量。然而相比於在旅行者號上飛行的 24 公斤，或者卡西尼號上的 33 公斤，這個量很小。

NASA 的目標是每年生產 1.5 千克的速度，但在技術和政治方面存在著若干重大障礙。儘管在 Pu-238 生產基礎設施方面進行了額外的投資，又使得 NASA 不願考慮將來的旅行者號和卡西尼類似的任務。

無論生產速度如何，所有的 Pu-238 將具有重要的價值，即使在最樂觀的生產水平，NASA 也沒有足夠的 Pu-238 來追求未來的外星球旗艦類任務，例如探索土衛六的表面或通過歐羅巴的表面冰融化，並在下面的海洋中為潛艇提供動力。顯然在沒有足夠存量的情況下，NASA 只能依靠 Pu-238 支持的空間核動力是有風險的。

NASA 不需要簡單地試圖保持放射性同位素的功率能力，或者滿足於比以往任務更少的深空探測能力。美國航天局可以開發一個平衡的動力組合，它包括空間裂變動力，它為空間探索提供了基本無限的動力。

雖然空間裂變不會在質量基礎上與功率低於 500 瓦的放射性同位素系統競爭，損失率可能在 500 到 1500 瓦之間，但它將在更低的功率水平上，以每千瓦的循環成本進行競爭。

小型裂變系統不僅允許 NASA 重新考慮數百瓦的卡西尼式飛行任務，而且還將最終實現需要千瓦功率的科學飛行任務。一個 10 千瓦電力反應堆可以使雄心勃勃的核電推進任務進入軌道，並探索最外層的行星和柯伊伯帶的天體。

歷史上，空間裂變能力最大的障礙一直是人們認為的發展代價，很大程度上是因為先進核技術和新的測試設施的發展可能非常昂貴，而且需要許多年。NASA Kilopower 項目通過展示一個簡單的太空反應堆可以開發幾億美元，以及已經存在的支持早期發展的設施來解決這些問題。其他項目和 Kilopower 之間的關鍵區別在於，Kilopower 通過現場測試實際的裂變反應堆來證明成本很低，這是自上世紀 60 年代以來在美國從未做過的事情。批評者說，在今天的監管環境下，不可能進行經濟實惠、簡單的核動力測試，但由洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)與 NASA 於 2012 年合作開展的 Flattop 裂變實驗的演示表明，這是可能的。

使用 Stirling Technology (KRUSTY)實驗的千瓦級反應堆預計將於今年初完工，意味著一種類似飛行的太空反應堆可以設計、製造和測試，而且只需要幾千萬美元。將整個系統帶到飛行狀態的剩餘工作是重要的，但大多是非核的，即在能量轉換系統和航天器集成中存在剩餘的技術挑戰，一個實際的飛行反應堆可以看起來和操作基本上和 KRUSTY 一樣。

如果 KRUSTY 成功的話，將 1-kWe 反應堆的飛行狀態提升到飛行狀態的成本應該是相對低的：幾億美元，或者是 NASA 願意花在有限的放射性同位素能量上的預算。

這並不是說放射性同位素的能量應該被拋棄。它將永遠是太空探索的必要條件，對 Pu-238 生產的重大投資是很有必要的。如果將空間反應器用於需要顯著超過 100 瓦特的任務，那麼對於較小的任務來說，每千克 Pu-238 將是足夠的，這些任務從小的 RTG 的質量和包裝優點以及需要 Pu-238 進行熱管理的航天器中獲益最大。

裂變技術也可以改善推進系統。第二代裂變發電系統可以在 10-100 千瓦的核能電力推進系統中實現對太陽系外系統的雄心勃勃的探索。隨後的幾代人可以把注意力集中在載人航天任務的推進上，在那裡核裂變可能產生最大的影響。

NASA 正在對核熱推進進行大量投資，這將使化學火箭的性能提高一倍，大大提高人類的探索能力。雖然 NASA 應該因其大膽的願景而受到稱讚，但核能開發和測試所需要的飛躍讓人想起了之前失敗的項目。即使最終取得成功，核能的熱推進效益也可能無法證明其數百億美元的價格合理，特別是在成本更低、運載能力更強的運載工具方面繼續取得進展的情況下。

多兆瓦的核電力推進系統可以為化學系統提供一個數量級的改進，從而提供比核能熱推進更大的潛力。多兆瓦的核電力推進系統也有優勢，可以通過幾個漸進的、可實現的步驟來開發反應堆技術，其中 Kilopower 是第一個。核動力推進系統發展的平衡提供了額外的主要挑戰，但它們是非核的，也可以在步驟中完成，並在現有的太陽能電力推進力的基礎上建設。

?投資太空裂變能力的主要原因是它將給 NASA 帶來的獨特能力，它的優勢遠遠超出了它所能實現的太空任務。NASA 將需要空間反應堆在月球和火星上建立一個強大的電力環境，在那裡，太陽能受到日夜循環、緯度、季節、沙塵暴、聚集、退化等的限制。最終，增量的進步可能會導致更高功率、更低的比質量的核電推進反應堆，這將徹底改變整個太陽系的人類旅行。

如果美國真的想繼續成為太空探索的領導者，NASA 必須通過足夠的資金來重新平衡其權力組合，以建立一個在太空中建立裂變動力的簡單系統。這個簡單的系統將允許在最外層的行星上繼續航行和卡西尼級任務，並在歐羅巴、土衛二和土衛六上打開地下任務。然後 NASA 可以利用這些技術、技術和基礎設施流出來實現更有野心的能力，比如為人類任務提供更高的動力表面反應堆，以及最終的核熱推進和核電力推進空間反應堆項目。

美國人並沒有喪失對探索太陽系和更遠的地方的熱情，現在是時候去創造那些能讓夢想成真的工具了。

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