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来源丰富 成本低廉 核废料助航天器探索宇宙更深

英国《自然》网站在近日的报道中指出,当地时间11月22日至23日在巴黎召开的欧洲空间局(ESA)理事会会议上,ESA同意资助名为“使用放射性同位素能源的欧洲设备”(ENDURE)的计划。该计划旨在开发由放射性同位素镅-241提供电能的装置,以替代现有的钚-238电池,助力欧盟探索月球及更遥远的地方。
 
  变废为宝
 
 
  《自然》在报道中指出,欧洲科学家正在开发一种以核废料镅-241为动力的电池,ESA希望,到本世纪末,这些装置能为航天器长效供电而不依赖太阳能电池板,以助力该机构探索月球及太阳系的遥远区域。
 
  ESA拟向ENDURE项目提供3000万美元资助。该项目联合负责人、欧洲空间研究与技术中心的贾森·哈顿表示:“欧洲空间局未来有多项雄心勃勃的太空探索任务,如果我们想在探索中拥有自主权,就需要拥有由自己研发的长效电源。”
 
  目前,对于无法由太阳能完成的任务,ESA都依赖美国或俄罗斯合作伙伴研制的钚-238电池为相关任务提供动力。但在过去10年中,钚-238一直供不应求,生产成本高昂。
 
  长期以来,缺乏电源限制了欧洲科学家单独提出的太空任务的开展。例如,2014年,ESA的“菲莱”彗星着陆器降落于彗星上太阳光照射不到的地方,其上的太阳能电池板变得毫无用处,导致“菲莱”只运行了不到3天就进入深度休眠状态。
 
  支持这项新计划的ESA咨询委员会主席、法国梅东巴黎天文台的天体物理学家阿西娜·库斯坦尼斯说:“多年来,欧洲科学家一直在说,如果你想去很远的地方,或者去黑暗寒冷的地方,没有其他办法。”
 
  优点多多
 
  镅是钚衰变产生的副产品,也是核废料中目前较难处理的一种成分,此前从未被用作燃料。
 
  ENDURE项目共同负责人维洛妮克·费莱·卡弗鲁瓦表示,与钚相比,镅最大的优势是它更便宜、更丰富,可以将原本无用的废物重新利用。ESA登月任务协调人马库斯·兰格拉夫则指出,镅的半衰期比钚-238长,这意味着它的寿命更长。尽管每克镅含有的能量更少,但由于其更容易获得,因此提供同等电力的成本约是使用钚的1/5。
 
  钚-238是在用中子辐照镎靶的过程中制造而成。英国国家核实验室的研究表明,镅可以从民用发电厂使用的再加工核燃料中提取出来,并制成燃料球,构成电池的核心。
 
  在接下来的3年里,ENDURE团队将开发可在探月等任务类似条件下进行测试的模型。在与英国国家核实验室的合作中,英国莱斯特大学的一个团队开发出了两种设备:一种放射性同位素加热装置,它利用镅衰变过程中产生的热量加热仪器;另一种放射性同位素热电发电机,它利用在金属板之间产生温差来发电。
 
  领导上述项目的莱斯特大学物理学家及空间动力系统专家理查德·安布罗西说,这两种装置表明,镅在给定输出功率下电池体积更大、温度也比钚更低。研究团队希望未来能解决这两大问题。
 
  安布罗西表示,由于使用放射性材料,电池的安全也至关重要。他们的研究团队计划,接下来侧重安全测试,以便镅装置能够获得安全认证。测试将包括监测部件在高温和冲击下的行为,例如在发射台爆炸时,可以确保放射性材料不会泄漏。他说:“我们必须确保这些设备能够在一系列非常极端的情况下生存下来。”
 
  助力探月
 
  费莱·卡弗鲁瓦表示,这些电源系统一旦研制成功,可以在任何无法使用太阳能的任务中发挥作用。比如,在月球上持续14个地球日的夜晚开展探索任务,以及应用于木星以外的太阳系探险任务中。
 
  ESA登月任务协调人兰格拉夫表示,ESA计划首先在其Argonaut月球着陆器上使用镅-241电池,该着陆器计划于2030年代初发射,将在月球表面开展长期研究。到本世纪40年代,镅-241电池将能为前往天王星和海王星的任务提供电力。
 
  兰格拉夫说,镅很容易获得,而生产钚-238则面临不少挑战,美国国家航空航天局(NASA)或许也想使用镅-241电池,该机构正在评估为未来任务生产足够放射性同位素热电发电机的能力,用于在月球上建立长期根据地的阿尔忒弥斯计划。
 
  安布罗西指出,经过十多年研究,镅技术才发展到可用于实际任务的阶段,“对此,我们非常兴奋”。

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