NASA 未来进军深空的可能性可以在能源部位于田纳西州橡树岭国家实验室找到，就在看起来像室内游泳池的底部。
在那里，浸泡在核高通量同位素反应堆的电蓝色光芒中，装满放射性元素镎-237 的小型银色圆柱体的铝管正在受到中子轰击。这是现代炼金术；中子正在将镎嬗变成至少对于 NASA 的任务规划者来说比黄金更珍贵的东西：钚-238 (Pu-238)，宇宙中最稀有和最转瞬即逝的材料之一。一旦制成，Pu-238 将持续多年发出炽热的红光，因为它会逐渐衰变成铀。Pu-238 不能用于制造原子弹，对于为核反应堆提供燃料也不是特别有用，核反应堆被广泛认为在太空任务中过于有争议和昂贵而无法实际使用。相反，Pu-238 稳定的热量供应使其成为长途行星际航行的理想动力源，在这些航行中，条件可能过于昏暗和寒冷，不适合太阳能和化学电池。
但 NASA 的供应正在耗尽，能源部在橡树岭增加产量的努力进展过于缓慢，令人不安。国会中感到震惊的成员多次要求 NASA 制作研究报告，详细说明它到底需要多少钚，它计划如何获取钚，以及如果库存耗尽会带来什么风险，但迄今为止，这些要求尚未通过立法。最新的推动发生在 7 月下旬，当时来自俄亥俄州的参议员罗伯·波特曼和众议员史蒂夫·斯蒂弗斯各自提出了他们自己版本的《高效太空探索法案》，该法案授权进行此类报告。这两项法案都仍在委员会中，尚未进行正式投票。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
如果没有持续的支持和明确的方向，NASA 旨在增加更多 Pu-238 的初步努力可能会失败，进一步探索太阳系最黑暗的深处和角落可能变得不可能。除非，正如一些对核能持谨慎态度的任务规划者所主张的那样，NASA 设法比以前认为的更远地利用太阳能。
热量多于光照
在过去的半个世纪里，NASA 总共使用了 140 公斤的 Pu-238 来推动探索的前沿。与该机构的“温差电”发电机之一耦合，将热量转化为电力，四公斤这种物质可以为航天器供电数十年。Pu-238 被用于阿波罗时代的月球科学实验、木星的伽利略任务以及现已飞出我们太阳系的先驱者号和旅行者号探测器。大量的 Pu-238 为火星好奇号探测车、土星的卡西尼号轨道飞行器和现在漫游在冥王星之外的新视野号宇宙飞船提供动力。未来，Pu-238 可以为探测器提供动力，使其能够钻入富含海洋的卫星冰层之下，飞机可以在其他世界的外星大气层中飞行，飞船可以在土星卫星泰坦的液态乙烷海洋中航行，以及更多更多。
只有在有足够的钚可用的情况下，这些未来的任务才有可能发生。NASA 几乎所有的 Pu-238 库存都是在冷战期间制造核武器的副产品。随着冷战的结束，能源部的 Pu-238 产量也随之下降；它在 1988 年生产了最后一批，切断了 NASA 的供应，除了偶尔从俄罗斯交付少量、质量较低的批次，这些批次在 2010 年停止。目前，太空机构仅剩下约 35 公斤的 Pu-238，而放射性衰变已使除 17 公斤以外的所有物质都太弱，无法轻易用于 NASA 的温差发电机。NASA 和能源部官员估计，只剩下足够制造四个发电机的钚，其中一个已经承诺用于 NASA 即将到来的火星 2020 探测车。
2013 年，在中断四分之一个世纪后，能源部再次开始在橡树岭反应堆池深处制造 Pu-238。但提高到满负荷生产能力被证明是一个缓慢而令人沮丧的过程。该项目进度落后，不太可能在 2021 年实现每年生产 1.5 公斤发电机级钚的目标——相反，能源部官员表示，到 2019 年，管道每年的产量可能不到该目标的三分之一。
能源部官员并不认为钚生产的缓慢开始是一个问题，因为 NASA 尚未明确指出新钚将如何使用。“该项目计划以支持当前预计的 NASA 任务的速度生产新的 Pu-238，”能源部钚基础设施项目主任丽贝卡·奥努沙克说。“预计没有材料短缺来满足这些需求，因此没有实施任何补救或行动计划。”
但熟悉情况的外部专家表示，这种解释是经典循环论证的例子。“NASA 可以用新的钚做很多事情，但没有任何计划，”行星协会的倡导主任凯西·德雷尔说。“为什么会这样？因为 NASA 不确定何时或是否能获得所需的钚！”
部分问题在于钚的制造成本非常高昂，而且没有人特别渴望为此付费：生产管道分散在爱达荷州、田纳西州和新墨西哥州的国家实验室之间，维护所有这些管道每年花费超过 5000 万美元。从历史上看，能源部承担了这些成本，但当 2013 年重新开始生产时，情况发生了变化，因为国会和白宫将重启和维持生产的财政负担完全转移到了 NASA 身上。
NASA 的领导层将责任推给了该机构的行星科学部门，因为行星际任务是 NASA 钚的主要消费者。具有讽刺意味的是，由于钚生产的资金来自该部门的技术开发预算，这会将资金从探索如何可持续利用稀缺钚供应的项目中转移出去。2013 年 11 月，该机构大幅缩减了其先进斯特林放射性同位素发电机计划，该计划花费了十多年时间开发高效活塞式热交换器，这种热交换器可以使用比 NASA 的温差发电机少四分之三的钚来提供相同的电力。取而代之的是，该机构正在探索如何用新组件改造其温差发电机，以适度提高效率。
“这笔钱应该用于开发机器人上升飞行器以从火星返回样本，或在太阳系外侧冰卫星上着陆所需的技术等等，”德雷尔说。“但现在其中很多钱直接流向了能源部。预算的这一部分真的不再用于技术开发了——而是用于维护制造这种类型钚的基础设施。”
在没有重大政策变化的情况下，只要该机构存在，钚生产将继续每年至少耗费 NASA 行星科学预算 5000 万美元，这可能会关闭与未来行星际探索一样多的机遇之门。
太阳能解决方案？
随着库存减少和恢复库存的成本持续上升，NASA 的行星科学界经历了似乎是寒蝉效应。需要大量钚的任务已经变得，由于缺乏更好的术语，具有放射性。没有人愿意过于接近此类任务，因为它们有一种令人不安的倾向，即发生变异、减弱和死亡。在某些情况下，任务规划者现在加班加点地证明在长期以来被认为需要钚的任务中不使用钚是合理的。
例如，考虑一下 NASA 探索木星卫星欧罗巴的断断续续的计划，欧罗巴卫星地表冰层下蕴藏着广阔且可能适合生命生存的海洋。几十年来，行星科学家一直梦想着发射一艘核动力航天器绕欧罗巴运行，配备一套复杂的仪器来寻找宜居性和生命迹象。但由于它们需要大量的钚，这些梦想一次又一次地被推迟。最近一项备受赞誉的提案，名为木星欧罗巴轨道飞行器，将在 2020 年代发射时使用约 17.6 公斤的 Pu-238——超过 NASA 目前整个可用的库存。
NASA 今年早些时候宣布，它计划在 2020 年代进行一项规模更小、更便宜的任务，而不是追求核动力欧罗巴轨道飞行器，该任务将在复杂且精心策划的一系列飞掠中绕冰卫星飞行。尽管降级了，但在某些方面，这项任务可能被认为比其渴望钚的前身更雄心勃勃，因为它将由太阳能供电。
根据 NASA 喷气推进实验室的任务项目经理巴里·戈尔茨坦的说法，太阳能被证明是实际而非政治原因的更优选择。太阳能电池阵列可以“按瓦特增长”，根据航天器的电力需求灵活调整尺寸，而填充钚的温差发电机只能以大型模块化块状形式出现。欧罗巴任务可能需要一些 50 平方米的太阳能电池阵列，这些阵列使用专门的“低强度、低温”太阳能电池，针对深空中的高效运行进行了优化。这项太阳能电池技术将在 2016 年 7 月开始进行最重要的实地测试，届时它将与另一艘太阳能航天器 NASA 的朱诺号任务一起抵达木星。
“我不想忽视我们实际上有一只金丝雀正在前往木星煤矿，”戈尔茨坦说。“但我们一直在根据我们的建模和我们在较低强度辐射剂量下的测试跟踪朱诺号阵列的性能，它们的跟踪是正确的。”戈尔茨坦说，当朱诺号明年抵达木星时，他完全期望它的性能能够帮助校准和验证欧罗巴任务的太阳能计划。
然而，在欧罗巴选择太阳能背后还有更多内容。美国国家太空政策规定，NASA 只有在核动力源“显着增强”任何给定的太空任务时才能使用核动力源。“规则规定，只有在其他选择无法完成任务时，我们才能使用核动力系统，”NASA 欧罗巴计划科学家科特·尼布尔说。“对于欧罗巴的多次飞掠任务，太阳能系统可以完成任务。所以我们选择了太阳能。”
仔细阅读会发现这种逻辑中存在一个令人不安的缺陷，因为对于太阳能可以推动多远，尚未达成共识。由于缺乏明确界定的界限来区分太阳能变得不合理的程度，并且部分依赖于相对未经证实的技术，任务规划者可能很快就会发现自己处于一个滑坡上，滑入不确定性中，从而无意中排除了几乎所有太空任务使用核能的可能性。
一些行星科学家已经在认真讨论更多太阳能驱动的任务，这些任务可以飞越木星到达土星和太阳系外侧的其他遥远目标。太阳能随着距离太阳越远而急剧减少——距离每增加一倍，接收到的阳光量就会减少四分之一。土星几乎是木星与太阳距离的两倍，这意味着 NASA 计划中的欧罗巴航天器的土星当量可能需要超过 200 平方米的太阳能电池板。
虽然肯定笨重，但如此大型的太阳能电池阵列并非不可能，甚至可以被视为比在可预见的未来使用政治敏感且日益稀缺的钚更实用。技术发展的 перспектива 使外行星的太阳能 перспектива 看起来不那么令人生畏：太阳能电池效率的进一步提高或使用聚光透镜或反射镜可以进一步缩小太阳能电池阵列的所需面积或质量。如果做不到这一点，任务始终可以缩小规模以适应太阳能，牺牲科学目标以简单地起飞。但是，在某个不明确的点之外，大概科学回报的减少应该使太阳能变得得不偿失。
约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的太空核动力系统专家拉尔夫·麦克纳特说：“有些任务是太阳能无法完成的。”“如果没有 [Pu-238]，旅行者号、卡西尼号和新视野号目前都不会带回尖端的科学数据。还要考虑到土卫六上的惠更斯探测器和 [67P/Churyumov–Gerasimenko 彗星上的] 菲莱着陆器如果使用核动力源而不是化学动力源，仍然可以运行。”
即便如此，麦克纳特承认，核能“对于惠更斯号和菲莱号来说都可能成本过高”。换句话说，发射严重依赖非核动力而受限的任务比根本不发射任务更好。未来太阳能主导的太空飞行时代可能会让更多的深空任务得以进行，但这些任务的能力和寿命将不如使用核动力时那么强大。这是否是值得的权衡，并不是大多数 NASA 任务规划者目前急于回答的问题。
不过，对于那些认为太空核能值得追求的人来说，还是有一些乐观理由的：在田纳西州电蓝色泳池的底部，核炼金术仍在继续。
“与五年前、十年前相比，我们现在的状况非常好，”德雷尔说。“那时俄罗斯即将停止向我们出售钚，我们也没有创建新钚来恢复我们迅速减少的国家供应的计划。NASA 处境不妙。由于这个主题的敏感性，这花费了很长时间。但在橡树岭，他们现在正在轰击镎以制造钚。他们这样做不是为了制造炸弹——他们这样做是为了将小型机器送到数十亿英里之外的世界，因为谁知道那里有什么？这难道不是一件美好的事情吗？”