NASA 未來進軍深空的可能性可以在能源部位於田納西州橡樹嶺國家實驗室找到，就在看起來像室內游泳池的底部。
在那裡，浸泡在核高通量同位素反應堆的電藍色光芒中，裝滿放射性元素錼-237 的小型銀色圓柱體的鋁管正在受到中子轟擊。這是現代鍊金術；中子正在將錼嬗變成至少對於 NASA 的任務規劃者來說比黃金更珍貴的東西：鈽-238 (Pu-238)，宇宙中最稀有和最轉瞬即逝的材料之一。一旦製成，Pu-238 將持續多年發出熾熱的紅光，因為它會逐漸衰變成鈾。Pu-238 不能用於製造原子彈，對於為核反應堆提供燃料也不是特別有用，核反應堆被廣泛認為在太空任務中過於有爭議和昂貴而無法實際使用。相反，Pu-238 穩定的熱量供應使其成為長途行星際航行的理想動力源，在這些航行中，條件可能過於昏暗和寒冷，不適合太陽能和化學電池。
但 NASA 的供應正在耗盡，能源部在橡樹嶺增加產量的努力進展過於緩慢，令人不安。國會中感到震驚的成員多次要求 NASA 製作研究報告，詳細說明它到底需要多少鈽，它計劃如何獲取鈽，以及如果庫存耗盡會帶來什麼風險，但迄今為止，這些要求尚未透過立法。最新的推動發生在 7 月下旬，當時來自俄亥俄州的參議員羅伯·波特曼和眾議員史蒂夫·斯蒂弗斯各自提出了他們自己版本的《高效太空探索法案》，該法案授權進行此類報告。這兩項法案都仍在委員會中，尚未進行正式投票。
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如果沒有持續的支援和明確的方向，NASA 旨在增加更多 Pu-238 的初步努力可能會失敗，進一步探索太陽系最黑暗的深處和角落可能變得不可能。除非，正如一些對核能持謹慎態度的任務規劃者所主張的那樣，NASA 設法比以前認為的更遠地利用太陽能。
熱量多於光照
在過去的半個世紀裡，NASA 總共使用了 140 公斤的 Pu-238 來推動探索的前沿。與該機構的“溫差電”發電機之一耦合，將熱量轉化為電力，四公斤這種物質可以為航天器供電數十年。Pu-238 被用於阿波羅時代的月球科學實驗、木星的伽利略任務以及現已飛出我們太陽系的先驅者號和旅行者號探測器。大量的 Pu-238 為火星好奇號探測車、土星的卡西尼號軌道飛行器和現在漫遊在冥王星之外的新視野號宇宙飛船提供動力。未來，Pu-238 可以為探測器提供動力，使其能夠鑽入富含海洋的衛星冰層之下，飛機可以在其他世界的外星大氣層中飛行，飛船可以在土星衛星泰坦的液態乙烷海洋中航行，以及更多更多。
只有在有足夠的鈽可用的情況下，這些未來的任務才有可能發生。NASA 幾乎所有的 Pu-238 庫存都是在冷戰期間製造核武器的副產品。隨著冷戰的結束，能源部的 Pu-238 產量也隨之下降；它在 1988 年生產了最後一批，切斷了 NASA 的供應，除了偶爾從俄羅斯交付少量、質量較低的批次，這些批次在 2010 年停止。目前，太空機構僅剩下約 35 公斤的 Pu-238，而放射性衰變已使除 17 公斤以外的所有物質都太弱，無法輕易用於 NASA 的溫差發電機。NASA 和能源部官員估計，只剩下足夠製造四個發電機的鈽，其中一個已經承諾用於 NASA 即將到來的火星 2020 探測車。
2013 年，在中斷四分之一個世紀後，能源部再次開始在橡樹嶺反應堆池深處製造 Pu-238。但提高到滿負荷生產能力被證明是一個緩慢而令人沮喪的過程。該專案進度落後，不太可能在 2021 年實現每年生產 1.5 公斤發電機級鈽的目標——相反，能源部官員表示，到 2019 年，管道每年的產量可能不到該目標的三分之一。
能源部官員並不認為鈽生產的緩慢開始是一個問題，因為 NASA 尚未明確指出新鈽將如何使用。“該專案計劃以支援當前預計的 NASA 任務的速度生產新的 Pu-238，”能源部鈽基礎設施專案主任麗貝卡·奧努沙克說。“預計沒有材料短缺來滿足這些需求，因此沒有實施任何補救或行動計劃。”
但熟悉情況的外部專家表示，這種解釋是經典迴圈論證的例子。“NASA 可以用新的鈽做很多事情，但沒有任何計劃，”行星協會的倡導主任凱西·德雷爾說。“為什麼會這樣？因為 NASA 不確定何時或是否能獲得所需的鈽！”
部分問題在於鈽的製造成本非常高昂，而且沒有人特別渴望為此付費：生產管道分散在愛達荷州、田納西州和新墨西哥州的國家實驗室之間，維護所有這些管道每年花費超過 5000 萬美元。從歷史上看，能源部承擔了這些成本，但當 2013 年重新開始生產時，情況發生了變化，因為國會和白宮將重啟和維持生產的財政負擔完全轉移到了 NASA 身上。
NASA 的領導層將責任推給了該機構的行星科學部門，因為行星際任務是 NASA 鈽的主要消費者。具有諷刺意味的是，由於鈽生產的資金來自該部門的技術開發預算，這會將資金從探索如何可持續利用稀缺鈽供應的專案中轉移出去。2013 年 11 月，該機構大幅縮減了其先進斯特林放射性同位素發電機計劃，該計劃花費了十多年時間開發高效活塞式熱交換器，這種熱交換器可以使用比 NASA 的溫差發電機少四分之三的鈽來提供相同的電力。取而代之的是，該機構正在探索如何用新元件改造其溫差發電機，以適度提高效率。
“這筆錢應該用於開發機器人上升飛行器以從火星返回樣本，或在太陽系外側冰衛星上著陸所需的技術等等，”德雷爾說。“但現在其中很多錢直接流向了能源部。預算的這一部分真的不再用於技術開發了——而是用於維護製造這種型別鈽的基礎設施。”
在沒有重大政策變化的情況下，只要該機構存在，鈽生產將繼續每年至少耗費 NASA 行星科學預算 5000 萬美元，這可能會關閉與未來行星際探索一樣多的機遇之門。
太陽能解決方案？
隨著庫存減少和恢復庫存的成本持續上升，NASA 的行星科學界經歷了似乎是寒蟬效應。需要大量鈽的任務已經變得，由於缺乏更好的術語，具有放射性。沒有人願意過於接近此類任務，因為它們有一種令人不安的傾向，即發生變異、減弱和死亡。在某些情況下，任務規劃者現在加班加點地證明在長期以來被認為需要鈽的任務中不使用鈽是合理的。
例如，考慮一下 NASA 探索木星衛星歐羅巴的斷斷續續的計劃，歐羅巴衛星地表冰層下蘊藏著廣闊且可能適合生命生存的海洋。幾十年來，行星科學家一直夢想著發射一艘核動力航天器繞歐羅巴執行，配備一套複雜的儀器來尋找宜居性和生命跡象。但由於它們需要大量的鈽，這些夢想一次又一次地被推遲。最近一項備受讚譽的提案，名為木星歐羅巴軌道飛行器，將在 2020 年代發射時使用約 17.6 公斤的 Pu-238——超過 NASA 目前整個可用的庫存。
NASA 今年早些時候宣佈，它計劃在 2020 年代進行一項規模更小、更便宜的任務，而不是追求核動力歐羅巴軌道飛行器，該任務將在複雜且精心策劃的一系列飛掠中繞冰衛星飛行。儘管降級了，但在某些方面，這項任務可能被認為比其渴望鈽的前身更雄心勃勃，因為它將由太陽能供電。
根據 NASA 噴氣推進實驗室的任務專案經理巴里·戈爾茨坦的說法，太陽能被證明是實際而非政治原因的更優選擇。太陽能電池陣列可以“按瓦特增長”，根據航天器的電力需求靈活調整尺寸，而填充鈽的溫差發電機只能以大型模組化塊狀形式出現。歐羅巴任務可能需要一些 50 平方米的太陽能電池陣列，這些陣列使用專門的“低強度、低溫”太陽能電池，針對深空中的高效執行進行了最佳化。這項太陽能電池技術將在 2016 年 7 月開始進行最重要的實地測試，屆時它將與另一艘太陽能航天器 NASA 的朱諾號任務一起抵達木星。
“我不想忽視我們實際上有一隻金絲雀正在前往木星煤礦，”戈爾茨坦說。“但我們一直在根據我們的建模和我們在較低強度輻射劑量下的測試跟蹤朱諾號陣列的效能，它們的跟蹤是正確的。”戈爾茨坦說，當朱諾號明年抵達木星時，他完全期望它的效能能夠幫助校準和驗證歐羅巴任務的太陽能計劃。
然而，在歐羅巴選擇太陽能背後還有更多內容。美國國家太空政策規定，NASA 只有在核動力源“顯著增強”任何給定的太空任務時才能使用核動力源。“規則規定，只有在其他選擇無法完成任務時，我們才能使用核動力系統，”NASA 歐羅巴計劃科學家科特·尼布林說。“對於歐羅巴的多次飛掠任務，太陽能系統可以完成任務。所以我們選擇了太陽能。”
仔細閱讀會發現這種邏輯中存在一個令人不安的缺陷，因為對於太陽能可以推動多遠，尚未達成共識。由於缺乏明確界定的界限來區分太陽能變得不合理的程度，並且部分依賴於相對未經證實的技術，任務規劃者可能很快就會發現自己處於一個滑坡上，滑入不確定性中，從而無意中排除了幾乎所有太空任務使用核能的可能性。
一些行星科學家已經在認真討論更多太陽能驅動的任務，這些任務可以飛越木星到達土星和太陽系外側的其他遙遠目標。太陽能隨著距離太陽越遠而急劇減少——距離每增加一倍，接收到的陽光量就會減少四分之一。土星幾乎是木星與太陽距離的兩倍，這意味著 NASA 計劃中的歐羅巴航天器的土星當量可能需要超過 200 平方米的太陽能電池板。
雖然肯定笨重，但如此大型的太陽能電池陣列並非不可能，甚至可以被視為比在可預見的未來使用政治敏感且日益稀缺的鈽更實用。技術發展的 перспектива 使外行星的太陽能 перспектива 看起來不那麼令人生畏：太陽能電池效率的進一步提高或使用聚光透鏡或反射鏡可以進一步縮小太陽能電池陣列的所需面積或質量。如果做不到這一點，任務始終可以縮小規模以適應太陽能，犧牲科學目標以簡單地起飛。但是，在某個不明確的點之外，大概科學回報的減少應該使太陽能變得得不償失。
約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的太空核動力系統專家拉爾夫·麥克納特說：“有些任務是太陽能無法完成的。”“如果沒有 [Pu-238]，旅行者號、卡西尼號和新視野號目前都不會帶回尖端的科學資料。還要考慮到土衛六上的惠更斯探測器和 [67P/Churyumov–Gerasimenko 彗星上的] 菲萊著陸器如果使用核動力源而不是化學動力源，仍然可以執行。”
即便如此，麥克納特承認，核能“對於惠更斯號和菲萊號來說都可能成本過高”。換句話說，發射嚴重依賴非核動力而受限的任務比根本不發射任務更好。未來太陽能主導的太空飛行時代可能會讓更多的深空任務得以進行，但這些任務的能力和壽命將不如使用核動力時那麼強大。這是否是值得的權衡，並不是大多數 NASA 任務規劃者目前急於回答的問題。
不過，對於那些認為太空核能值得追求的人來說，還是有一些樂觀理由的：在田納西州電藍色泳池的底部，核鍊金術仍在繼續。
“與五年前、十年前相比，我們現在的狀況非常好，”德雷爾說。“那時俄羅斯即將停止向我們出售鈽，我們也沒有建立新鈽來恢復我們迅速減少的國家供應的計劃。NASA 處境不妙。由於這個主題的敏感性，這花費了很長時間。但在橡樹嶺，他們現在正在轟擊錼以製造鈽。他們這樣做不是為了製造炸彈——他們這樣做是為了將小型機器送到數十億英里之外的世界，因為誰知道那裡有什麼？這難道不是一件美好的事情嗎？”