1988年，美國忍痛讓钚-238這種在其太空探索史上居功甚偉的燃料從此停產。直到25年后，面對即將告罄的庫存，該國毅然重啟钚-238生產線，在今年3月成功生產出了少量的钚-238。既然钚-238如此重要，美國當年為何要停產？如今重返舞臺，钚-238能否讓美國的太空任務從此再無燃料之憂？

今年3月，美國太空探測器“旅行者1”號因其行蹤而引起了國際航天研究者廣泛的關注。在美國地球物理聯(lián)合會的新聞發(fā)布會上，有科學家指出，宇宙射線的顯著變化表明，35年前發(fā)射的“旅行者1”號已離開太陽系，成為第一個“逃離”太陽系的人造探測器。雖然這一猜測并沒有得到美國宇航局（NASA）本身的確認，但提出上述說法的科學家也是有自己的“依據”的：早在去年6月，NASA就已宣布“旅行者1”號已接近太陽系邊界，即將飛入未知的恒星際空間，距離太陽已超過180億公里。迄今為止，“旅行者1”號在太空中已經“工作”了35年了。

深空續(xù)航的動力

“旅行者1”號之所以在發(fā)射后這么久還能正常工作，長效核電池功不可沒。它使用的核燃料是钚-238的二氧化物，半衰期為87.7年，這比任何航天器壽命都要長。如果“旅行者1”號仍以當前的速率消耗燃料，核電池要到2025年才停止運轉。

日常生活中，我們常因手機電量耗盡、數(shù)碼相機沒電而感到不便。如果類似的事情發(fā)生在太空中，那就意味著與地球失去聯(lián)系、探測設備無法工作、探測車無法移動，任務宣告失敗。

為避免這樣的情況發(fā)生，必須為太空探測器配備經久耐用的電源。受航天器體積和任務時間的限制，這種電源既不能太大，也不能壽命太短。因為放射性同位素衰變時釋放的能量大小和釋放速度不受外界環(huán)境的溫度、化學反應、壓力、電磁場的影響，所以在要求高功率、長壽命、運行環(huán)境惡劣的供電領域，核電池是絕佳的選擇。特別是當航天器遠離太陽或位于星球表面上，難以靠太陽能電池長時間供電時，能量密度高、使用時間長的核電源更是唯一的選擇。以去年8月降落在火星表面的美國火星車“好奇”號為例，要在火星上工作兩年的它，電力由一臺“放射性同位素熱電發(fā)生器”提供，本質上就是一塊核電池。該電池的設計使用壽命為14年，可為重達一噸的“好奇”號提供充足電力。它不但比太陽能電池耐久，也不會像太陽能電池那樣受火星塵埃的影響。“好奇”號的核電池由兩部分組成：一個裝有钚-238二氧化物的熱源和一組固體熱電偶。熱電偶是一種半導體，可以將钚－238衰變產生的熱能轉化為電能。

而沒有用核電池做能源的探測器往往是短命的。2008年11月2日，“鳳凰”號火星登陸器發(fā)出了最后的信號。由于“鳳凰”號著陸地點的光照出現(xiàn)季節(jié)性減少，不足以為太陽能電池充電，加上突如其來的一場沙塵暴，“鳳凰”號電量耗盡，時間比預計提前了3周。

為了避免未來前往太陽系黑暗角落執(zhí)行任務的美國航天器不會遭受“鳳凰”號這樣的厄運，以及為確保美國能保持在航天領域的優(yōu)勢，钚-238燃料對于美國來說顯然是不可或缺的。

庫存告罄的由來

太空核電池的研發(fā)始于1958年的美國。1961年美國發(fā)射的導航衛(wèi)星“子午儀-4A”首次配備了核電池。該電池外形接近球體，直徑約12.5厘米，重約2千克。個頭雖小，它所提供的電力卻相當于一塊重300千克的鎳-銅電池。“子午儀-4A”衛(wèi)星在太空運行了十多年，大大超過原來的設計壽命。

幾十年來，核電池已為許多太空任務提供過動力。即便是在那些距離地球極其遙遠、環(huán)境惡劣的考察任務中（如飛至太陽系邊緣的“先驅者”號、飛向木星的“伽利略”號、飛向土星的“卡西尼”號等），核電池也保持著良好的工作業(yè)績。

在核電池的支持下，美國宇航局的探測器揭示了火星、木星、土星和太陽系邊緣的奧秘，但一系列成功曾一度面臨成為絕唱的境遇，因為钚-238雖然居功甚偉，但也給美國惹了不少麻煩。

1964年，美國發(fā)生一起火箭發(fā)射事故，導致一枚用钚核電池做能源的衛(wèi)星損毀，钚核電池在空中爆炸，導致钚－238泄漏，有害物質散落全球。這起事故曾引發(fā)人們對钚-238危害的大討論。僅僅1年后，美國一個情報小組在喜馬拉雅山上遺失了一個用钚－238核電池提供能源的間諜裝置，這個過失引起的擔憂顯而易見。

最令人擔憂的是，钚-238的放射性比用于生產核武器的钚-239要強數(shù)百倍。醫(yī)學專家指出，人只要吸入灰塵大小的钚-238，就可能導致肺癌。更何況它的半衰期長達88年，一旦發(fā)生污染，將在很長時間內對污染區(qū)域產生輻射威脅，在自然作用下很難消除影響。此外，政府官員也承認，生產钚-238會產生大量的有毒放射性廢物，這也是美國政府忍痛停止生產钚-238的原因。

能否再顯神通？

從1988年開始，美國不再生產钚-238，此后核電池所用的钚-238或者使用庫存，或者從俄羅斯進口。但最近幾年，美國钚-238存量已經到了即將用完的程度，而俄羅斯也在2010年不再出口钚-238到美國。如果沒有新的供應，探索太陽系的活動可能很快就會戛然而止?！叭绻恢匦聠宇?238的生產，無論是美國，還是任何其他國家在10年后都不可能有能力再進行某些重要類型的行星任務?！泵绹鴩已芯课瘑T會在2011年的一份報告中得出了這個結論。

面對可能出現(xiàn)的“無钚可用”的局面—钚-238目前庫存只剩16.8千克，美國唯有尋求自給自足。直到2012年，美國眾議院才同意開始重新生產钚-238，以減少對外依賴。今年3月，美國宇航局的官員宣布，該國經過測試生產，已經在橡樹嶺國家實驗室成功生產出了極少量的钚-238，為避免這種重要的航天器燃料短缺局面邁出關鍵一步?！拔覀兿Ｍ茉床浚―OE）在今年晚些時候給一個完整的時間表，然后讓钚的生產重新走上軌道，每年大約生產出1.5千克。它的進展會相當順利?！泵绹詈骄中行强茖W部主任吉姆·格林樂觀地預測說。

問題是，钚-238制造起來很復雜，成本也很高，全面重新啟動生產線將需要數(shù)年時間，耗資約1億美元。要五六年后才能產出新的钚-238，平均每年只能生產1.5千克，而目前在太空任務上每年要消耗幾千克的钚-238。

除了試驗新的方法更高效地生產钚-238以外，如何精打細算使用核燃料也是核電池使用中的重要問題。目前的核電池幾乎都是“靜態(tài)熱電型”溫差發(fā)電器，熱電轉換效率較低。最近十幾年，“動態(tài)型”同位素發(fā)電系統(tǒng)已開始工程設計和論證。它先將熱能轉變成機械能，再把機械能轉換成電能。此外，有些可用可不用钚-238的航天器，也改用太陽能電池，例如2011年發(fā)射的“朱諾”木星探測器。未來美國想要保持在深空探索領域的優(yōu)勢，除了繼續(xù)生產钚-238之外，或許開發(fā)新的高密度能源，才是提升未來航天器續(xù)航力的解決之道。