12月14日成功登月的嫦娥3号体内，有一块放射性的钚238，它在衰变时产生的热量，供嫦娥3号在月面上漫长的黑夜中保持体温。这种放射性同位素，同样还为NASA的诸多深空探测器提供能量。问题在于，它的储备已经越来越少，NASA的深空探测面临能源危机。图为嫦娥3号着陆器拍摄的玉兔月球车。图片来源：新华网
（文/ Anne-Marie Corley）距离地球超过180亿千米的“旅行者”1号，正在穿越太阳系的边界。如果它的仪器是正确的，那这个探测器就终于进入了一片未知领域——冰冷而浩瀚的星际空间。已经持续35年的旅程，在这一刻抵达了顶点。
NASA的这个最遥远探测器长寿的秘诀在于，它有一颗由钚238做成的温暖的心。作为制造核武器的副产物，钚238衰变时会释放出热量，热会被转换成电，驱动“旅行者”上的仪器。工程师预计，未来大约10年的时间里，这个探测器还会继续向地球发回探测结果，然后才会迷失于茫茫太空。
自20世纪60年代以来，钚的这种同位素已经在长时间太空任务中发挥了至关重要的作用，主要用于那些距离太阳过远、太阳能电池板无法工作的探测器。伽利略木星任务、“先驱者”和“旅行者”探测器都仰仗于它，发现土星卫星上乙烷湖泊、冰间歇泉以及其他奇观的“卡西尼”探测器也是如此。
然而，尽管有许多成功的案例，这一类型的探测任务可能很快就会成为过去时。钚238的生产早在几十年前就已停止，NASA的钚储备正在不断走低。如果没有新的补给，我们对外太阳系的探索，也许很快就会嘎然而止。
问题是，生产钚238既不简单也不便宜，重启生产线需要数年的时间，将耗资约1亿美元。虽然NASA和美国能源部热衷于此，但美国国会至今拒绝为此提供必要的资金。
不过，兴许还有更好的解决办法。在NASA于2013年3月召开的一次会议上，来自美国空间核研究中心（CSNR）的物理学家提出了一种全新的方法，据称可以让所有人都满意。这一方法更快、更清洁，也更廉价，可以在商业模式下建立一条生产线，不仅满足NASA的需求，还可以让资本从中获益。
那么，该怎么做呢？如CSNR所建议的，把钚238的生产商业化可以减轻美国国库的负担，但批评者担心，这可能会危及安全。钚是已知最毒的物质之一 ——其同位素是强劲的α粒子发射源，如果吸入将会致命。反对者认为，把重启生产需要的时间和资金用于开发更安全的替代品会更好。因此，这是和这项冷战技术说再见，然后去设计新的更清洁太空能源的绝佳机会吗？
旅行者1号已经飞行了35年，它的动力来自于一块以钚238为核心的核电池。然而，冷战时期遗留下来的这种核燃料，如今已经所剩不多。NASA的外太阳系探测，面临能源危机。
重启生产线？
钚238之所以能在NASA几乎所有长时间空间任务中发挥关键作用，这是有原因的：它会发射α粒子从而产生热量，半衰期约为87年，因此它能够缓慢地衰变。衰变的钚被密封在一个装置中，被称为放射性同位素热电发生器，通过加热一个热电偶来发电。每克钚238能产生约0.5瓦的功率。平均而言，NASA每年需要用几千克的该种同位素，来为不同的探测器提供能源。
钚238不会自然形成。和它的武器级表亲钚239一样，它最初是在生产核弹材料的反应堆中被制造出来的，但当这些设施在1988年被关闭时，美国也随即停止了钚238的生产。为了填补美国国内的空白，2009年前美国一直在从俄罗斯购买钚238，直到因合同纠纷终止。由于俄罗斯的储备现在也所剩无几，任何新的协议都将很难达成。
因此，美国政府必须决定是否恢复生产。据美国国家研究委员会2009年的报告，NASA已经获得约5千克的钚238，这也许能维持到2020年。美国能源部的官员说，如果他们现在获得许可，那么到2018年，每年可制造2千克的钚238——正好填补NASA所需的空缺。但是所需的资金来之不易。NASA已经同意共同承担费用，并拨款约1400万美元用于研究重启生产线的成本——这条生产线最有可能被放置在美国田纳西州橡树岭国家实验室。然而，美国国家研究委员会的一些成员认为，成本最终可能会攀升至1.5亿美元，美国国会似乎不愿直接为美国能源部提供任何资金。
显然，生产钚238是十分昂贵的。生产它的传统方式需要在一个强大的核反应器内放置成批的镎237，用中子照射它长达一年的时间。然后，样品必须经过一系列的纯化步骤，把钚238从其他裂变产物中分离出来。
然而，在2013年3月召开的NASA创新先进概念（NIAC）研讨会上，CSNR的史蒂文·豪（Steven Howe）提出了一个更简单且更廉价制造钚238的可能方法。诀窍在于，使用机械供料管线，也就是围绕反应堆堆芯的蛇形管。沿着这条管道，装有几克镎237的小胶囊会不断往里推送，它们每一个都只会在反应器中逗留几天时间。当它们从另一端出来的时候，钚238会被提取，剩余的镎237则会再次送入这一管线。每次约有0.01％的镎发生变化，因此这个循环过程需要重复数千次，才能生产出NASA所需的几千克重的钚238。
这项技术具有一些显著的优点，例如较短的照射时间产生的裂变产物会少得多。这简化了后续化学分离的步骤，并减少了放射性废弃物的数量。此外，它可以用在小型反应堆上，这要比用老方法来运转强大的国家实验室设施廉价得多。豪甚至设想在商业生产线上来运营，因此NASA和美国能源部只需要购买最终的产品，而不必为整个生产过程买单。
研究这个概念的CSNR团队已经获得了来自NIAC的10万美元资助，他们还提交了一份提案来建造一条原型供料管线，演示他们能够机械地在其中推送胶囊并进行后续的分离步骤。豪相信，他们只需要约5000万美元的成本，用3年的时间就能启动并运行这一过程，比重启常规生产所需的成本减少一半，每年可制造约1.5千克的钚238。
虽然该团队仍在确定最佳的照射时间，但比起一年两次成批制造几千克的模式，连续运作这一过程应该有助于控制成本和所需设施的大小。豪说，如果每千克钚238报价600万美元——低于俄罗斯最新的要价，那么这一生产线对于私人企业也是有效益的。“和商业化太空旅行一样，我们正在做的是商业化的钚生产，”他说。
为NASA的“好奇号”火星车提供能源的，就是安装在它“屁股”上的这个以钚238为核心的电池。图片来源：blogspot.com
更换新能源
无论豪的技术能否节省资金甚至能否实现，生命体吸入钚可不是闹着玩儿的。钚238有剧毒，运转期间或之后的一次事故，有可能会把它们释放到大气中。例如，1964年美国海军的导航卫星再入大气层解体，在地球周围播撒了1千克的钚238，大约是大气中核武器试验释放量的2倍。虽然钚容器经重新设计以便在再入过程中不被破坏，但2006年卡西尼探测器的近地飞掠仍引发了公众大范围的抗议。总部设在美国缅因州的反太空武器及核能全球网络的布鲁斯·加格农（Bruce Gagnon）说，重启钚生产开启了“一种非常可怕的可能性”。“这清晰地表明，核工业把太空视为一个新的市场，”他说，“就像在玩俄罗斯轮盘赌。”加格农还担心商业生产线的前景。“引入利润激励的时候，你就会开始偷工减料，”他说。
再就是对核扩散和政治资本的担忧。虽然钚238不能用来制造核武器，但镎237完全是另一回事。它是核武级的材料：在快中子的轰击下，它可以维持一个链式反应而不发生不稳定热衰减。总部设在美国马萨诸塞州剑桥的忧思科学家联盟的埃德温·莱曼（Edwin Lyman）相信，鉴于这些安全问题，在空间应用中应该优先考虑非核能发生系统。“替代品需要被充分研究，”他说，“如果美国继续这一重启计划，我们将更加难以劝阻其他国家仿效，他们会决定自给钚238的供应。”
太阳光可以帮助填补这个空白吗？遵照平方反比定律，阳光的强度会随着距离的增加而降低，因此把太阳能驱动的航天器发射到外行星看上去是行不通的。例如，在冥王星的轨道上，一个面积为2,000平方米的太阳能电池阵列，才能产生地球轨道上1平方米的阵列所能产生的相同电量。然而，2011年8月NASA发射的朱诺探测器，是第一个使用太阳能而非钚的木星任务。“朱诺”依靠3块10米长的太阳能电池板来收集维持其运转所需的能源。此外，根据2007年NASA的一份报告，去往木星之外且以太阳能为动力的任务，并非毫无可能。
NASA格伦研究中心的詹姆斯·芬坎农（James Fincannon）说，我们需要的是可以应对外太阳系极端条件的新型太阳能电池。他说，轻型、高效太阳能电池的开发正在取得长足进步。如果这些阵列的成本和质量可以进一步降低，如果探测器的电力需求可以降低到300瓦以下——大约是伽利略探测器的一半——的话，芬坎农认为，一个由250平方米的太阳能阵列驱动的探测器，可以在远到天王星的距离上工作。加格农同意这一观点：“多年来，我们一直认为，即使在深空，太阳能也能奏效。”
就算在芬坎农的太阳能阵列无法工作的太阳系幽暗深处，仍有可以不使用钚来驱动探测器的方法。在豪讨论他的钚生产工艺的NIAC研讨会上，美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室的迈克尔·保罗（Michael Paul）描述了一种新的引擎，可以在仅有少量阳光能够穿透且有着浓密云层的行星表面，为探测器提供能源。
以金星为例。保罗提出，把锂燃料和这颗行星大气中的二氧化碳混合并燃烧，来为斯特林发动机——使用温差来驱动连接发电机活塞的热泵——提供热量。他说，该系统可以工作在很高的功率水平上，经过调整能够在土卫六、火星，甚至在月球南极永久阴影区中工作。保罗认为，经过进一步的研发，到2020年，此项技术就可以准备好发射了。他说：“我把这套能源系统视为解决钚短缺的全新机会。”
保罗承认，锂驱动着陆器的寿命远不及钚驱动所能达到的数十年。“50年的工作已经表明，在寿命问题上，钚还不存在替代品，”美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的拉尔夫·麦克纳特（Ralph McNutt）说。但他也补充说：“在允许的范围内，有放射性能源替代品的话，我们应该采用后者”。芬坎农对此表示同意，他说：“找到替代能源始终是一件好事。”
此外，注资开发轻型太阳能电池或者更高效斯特林发动机还能惠及地球。工程师已经在探索把金属粉末变成发动机燃料的方法，保罗认为他的技术还有助于水下探测任务。同样的情况，在钚238身上就不会发生。比如，在用于驱动心脏起搏器方面，对安全和健康的担忧就会令它不受欢迎。
那么，NASA将何去何从呢？豪仍然决心站在钚一边，最近他向NASA提交了他的方案。就太空探索而言，这一能源困局还没有结束。
编译自：《新科学家》，Space fuel crisis: NASA confronts the plutonium pinch
扩展阅读
云动力
对于上方有类似金星浓密云层的着陆器而言，太阳能将无法适用。对于美国宾夕法尼亚州立大学的迈克尔·保罗（Michael Paul）和他的团队所构思的发电机来说，那里正是它的用武之地。保罗的团队提出，把锂和从金星大气中抽入的二氧化碳一同燃烧，来驱动金星着陆器——省去了同时携带燃料和氧化剂的不便。
燃烧产生的热量会推动一个小型涡轮机或斯特林发动机，它会为着陆器的电子设备供电。但在金星高温的表面，最大的挑战是保持着陆器电子设备的低温。保罗预测，发电机五分之四的输出功率将用来为探测器的电子设备降温。之前的金星任务，在着陆之后都不超过2个小时，电池就失效了。保罗的计算显示，200千克的锂足以让传感器运转一周。
他相信，往锂中添加金星上的二氧化碳，是给金星着陆器提供能源的唯一出路。为了给为期一周的任务提供电力并致冷，将需要850千克的电池，或者50个由钚驱动的发电机。保罗说，就算是NASA巨大的卡西尼号探测器——“所有旗舰任务中的旗舰”——也没有这么多能量。