为什么 NASA 的毅力号火星探测器使用核能

放射性钚对于保持这个以及其他耗能的深空任务在多年内保持温暖和工作至关重要

NASA's Perseverance Mars rover

NASA 的毅力号火星探测器展示了其 MMRTG 的插入位置,在右侧面板之间,以金色管子标记。

航天器的强度取决于其动力源,这就是为什么当 NASA 设计其 毅力号火星探测器 时,该机构转向了放射性钚。

将于 周四(7 月 30 日)在地球上发射升空 的钚与用于武器的钚形式不同,并且在发射过程中发生意外情况时受到良好保护。但这些钚装置是航天器备受推崇的动力源——NASA 的 好奇号探测器 也使用类似的装置运行。

“NASA 喜欢探索,我们必须在一些非常遥远、尘土飞扬、黑暗和恶劣的环境中进行探索,”NASA 位于俄亥俄州格伦研究中心的核燃料专家 June Zakrajsek 在能源部 (DOE) 的一个 播客 中谈到毅力号任务时说。“当我们在这些类型的环境中时,太阳能有时无法提供我们所需的动力。光线无法像我们需要的程度那样到达这些位置。”


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当然,一些 NASA 的火星任务依靠太阳能运行——目前在红色星球上运行的 InSight 着陆器 带有太阳能电池板,本世纪早期的 双子星勇气号和机遇号探测器 也是如此。但机遇号是火星上太阳能弱点的象征,因为当一场 大规模全球沙尘暴阻挡了它 获取太阳光时,探测器的末日就来临了。使用核动力运行探测器,您不必担心这种情况。

因此,对于毅力号探测器,NASA 在一个名为 多任务放射性同位素热电发生器 (MMRTG) 的系统中使用了钚,该系统应该能够为航天器供电约 14 年。

“你没有延长线,你不能出去找维修工,”橡树岭国家实验室的核燃料专家 Bob Wham 在同一个播客中说。“你必须完全可靠。”

与毅力号探测器的其余部分一样,MMRTG 很大程度上基于好奇号探测器的 MMRTG,后者于 2011 年发射,2012 年降落在红色星球上,此后一直稳步前进。毅力号的 MMRTG 已经研发了七年,几乎与它的前辈为好奇号供电的时间一样长,根据美国能源部的数据,其价格标签为 7500 万美元。

(其他类型的核动力源也曾用于深空任务,例如 40 年历史的双子星旅行者探测器卡西尼号飞船,后者曾潜入土星环。)

毅力号的 MMRTG 旨在产生 110 瓦的功率,大约相当于一个灯泡的功率。钚会衰变,释放热量,发电机将热量转化为能量,为探测器的所有仪器供电,并产生足够的热量来保护航天器免受 火星寒冷的夜晚和冬季 的影响。

钚最初是一种完全不同的元素,镎,科学家们在核反应堆中用中子照射了近两个月,将其转化为 MMRTG 所需的钚形式。然后将钚与陶瓷结合,制成比武器中使用的更安全的化合物。

然而,将核动力源放在火箭的顶端仍然需要采取一些预防措施。最重要的是,每颗钚丸都包裹在铱中,如果放射性物质掉回地球,铱会将其contain住。 根据 NASA 和美国能源部的数据,这种情况在太空核动力源上发生过三次,没有造成任何损害,其中一个动力源甚至被从海洋中打捞出来,以便以后在另一个任务中使用。

NASA 为此类发射增加了任务控制团队的人员,以协调对任务核方面的任何必要响应。对于毅力号的发射,政府 模拟了发射日可能发生的各种问题——涵盖了从起飞前的问题(地理影响相对较小)到地球轨道上的问题(阻止航天器离开前往火星)的所有情况。

根据政府的模型,这两种情况的概率都低于 0.1%,如果发射过程中确实出现问题,这些计算表明,即使是最集中的辐射暴露也相当于美国居民经历的大约八个月的背景辐射。

因此,毅力号正坐在发射台上,装载着包含 32 块炽热银色燃料块的 MMRTG,准备发射升空前往红色星球。

与好奇号的钚不同,毅力号上的一些钚相对较新,是美国制造的。根据 Slate 的报道,好奇号着陆后,这些任务中使用的钚形式最初是核武器生产过程的副产品,美国政府在 20 世纪 80 年代停止生产自己的钚供应,因为他们认为可以获得足够的钚来满足需求。

但最近,NASA 一直在配给动力源,这就是为什么美国能源部在 2015 年决定 重返钚生产业务——目前每年最多生产 14 盎司(400 克),目标是到 2026 年每年能够生产 3.3 磅(1.5 公斤),根据美国能源部的数据。

至于这些钚将去向何处,一项未来的核动力 NASA 任务已经在进行中。该机构的 蜻蜓号任务 是一架飞往土星奇异的巨大卫星泰坦的无人机,将由 MMRTG 供电。该航天器计划于 2026 年发射。

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Meghan Bartels 是一位常驻纽约市的科学记者。她于 2023 年加入大众科学,现在是那里的高级新闻记者。此前,她在 Space.com 担任作家和编辑超过四年,并在Newsweek 担任科学记者近一年,主要关注太空和地球科学。她的作品还曾出现在Audubon、Nautilus、AstronomySmithsonian 等出版物上。她毕业于乔治城大学,并在纽约大学的科学、健康和环境报道项目获得了新闻学硕士学位。

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