為什麼 NASA 的毅力號火星探測器使用核能

放射性鈽對於保持這個以及其他耗能的深空任務在多年內保持溫暖和工作至關重要

NASA's Perseverance Mars rover

NASA 的毅力號火星探測器展示了其 MMRTG 的插入位置,在右側面板之間,以金色管子標記。

航天器的強度取決於其動力源,這就是為什麼當 NASA 設計其 毅力號火星探測器 時,該機構轉向了放射性鈽。

將於 週四(7 月 30 日)在地球上發射升空 的鈽與用於武器的鈽形式不同,並且在發射過程中發生意外情況時受到良好保護。但這些鈽裝置是航天器備受推崇的動力源——NASA 的 好奇號探測器 也使用類似的裝置執行。

“NASA 喜歡探索,我們必須在一些非常遙遠、塵土飛揚、黑暗和惡劣的環境中進行探索,”NASA 位於俄亥俄州格倫研究中心的核燃料專家 June Zakrajsek 在能源部 (DOE) 的一個 播客 中談到毅力號任務時說。“當我們在這些型別的環境中時,太陽能有時無法提供我們所需的動力。光線無法像我們需要的程度那樣到達這些位置。”


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當然,一些 NASA 的火星任務依靠太陽能執行——目前在紅色星球上執行的 InSight 著陸器 帶有太陽能電池板,本世紀早期的 雙子星勇氣號和機遇號探測器 也是如此。但機遇號是火星上太陽能弱點的象徵,因為當一場 大規模全球沙塵暴阻擋了它 獲取太陽光時,探測器的末日就來臨了。使用核動力執行探測器,您不必擔心這種情況。

因此,對於毅力號探測器,NASA 在一個名為 多工放射性同位素熱電發生器 (MMRTG) 的系統中使用了鈽,該系統應該能夠為航天器供電約 14 年。

“你沒有延長線,你不能出去找維修工,”橡樹嶺國家實驗室的核燃料專家 Bob Wham 在同一個播客中說。“你必須完全可靠。”

與毅力號探測器的其餘部分一樣,MMRTG 很大程度上基於好奇號探測器的 MMRTG,後者於 2011 年發射,2012 年降落在紅色星球上,此後一直穩步前進。毅力號的 MMRTG 已經研發了七年,幾乎與它的前輩為好奇號供電的時間一樣長,根據美國能源部的資料,其價格標籤為 7500 萬美元。

(其他型別的核動力源也曾用於深空任務,例如 40 年曆史的雙子星旅行者探測器卡西尼號飛船,後者曾潛入土星環。)

毅力號的 MMRTG 旨在產生 110 瓦的功率,大約相當於一個燈泡的功率。鈽會衰變,釋放熱量,發電機將熱量轉化為能量,為探測器的所有儀器供電,併產生足夠的熱量來保護航天器免受 火星寒冷的夜晚和冬季 的影響。

鈽最初是一種完全不同的元素,錼,科學家們在核反應堆中用中子照射了近兩個月,將其轉化為 MMRTG 所需的鈽形式。然後將鈽與陶瓷結合,製成比武器中使用的更安全的化合物。

然而,將核動力源放在火箭的頂端仍然需要採取一些預防措施。最重要的是,每顆鈽丸都包裹在銥中,如果放射性物質掉回地球,銥會將其contain住。 根據 NASA 和美國能源部的資料,這種情況在太空核動力源上發生過三次,沒有造成任何損害,其中一個動力源甚至被從海洋中打撈出來,以便以後在另一個任務中使用。

NASA 為此類發射增加了任務控制團隊的人員,以協調對任務核方面的任何必要響應。對於毅力號的發射,政府 模擬了發射日可能發生的各種問題——涵蓋了從起飛前的問題(地理影響相對較小)到地球軌道上的問題(阻止航天器離開前往火星)的所有情況。

根據政府的模型,這兩種情況的機率都低於 0.1%,如果發射過程中確實出現問題,這些計算表明,即使是最集中的輻射暴露也相當於美國居民經歷的大約八個月的背景輻射。

因此,毅力號正坐在發射臺上,裝載著包含 32 塊熾熱銀色燃料塊的 MMRTG,準備發射升空前往紅色星球。

與好奇號的鈽不同,毅力號上的一些鈽相對較新,是美國製造的。根據 Slate 的報道,好奇號著陸後,這些任務中使用的鈽形式最初是核武器生產過程的副產品,美國政府在 20 世紀 80 年代停止生產自己的鈽供應,因為他們認為可以獲得足夠的鈽來滿足需求。

但最近,NASA 一直在配給動力源,這就是為什麼美國能源部在 2015 年決定 重返鈽生產業務——目前每年最多生產 14 盎司(400 克),目標是到 2026 年每年能夠生產 3.3 磅(1.5 公斤),根據美國能源部的資料。

至於這些鈽將去向何處,一項未來的核動力 NASA 任務已經在進行中。該機構的 蜻蜓號任務 是一架飛往土星奇異的巨大衛星泰坦的無人機,將由 MMRTG 供電。該航天器計劃於 2026 年發射。

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Meghan Bartels 是一位常駐紐約市的科學記者。她於 2023 年加入大眾科學,現在是那裡的高階新聞記者。此前,她在 Space.com 擔任作家和編輯超過四年,並在Newsweek 擔任科學記者近一年,主要關注太空和地球科學。她的作品還曾出現在Audubon、Nautilus、AstronomySmithsonian 等出版物上。她畢業於喬治城大學,並在紐約大學的科學、健康和環境報道專案獲得了新聞學碩士學位。

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