美航天局測試“核發動機”:或為火星任務提供能源
2017年12月04日08:53

  據國外媒體報導,美國航空航天局(NASA)計劃開始對“核發動機”進行測試,這或許將為宇航員登陸火星並在火星表面開展任務提供能源。

  這個發動機項目被稱為“Kilopower”,將採用一個只有衛生捲紙大小的鈾反應堆來產生熱能。接著,這些熱能將由一台高效率的斯特林發動機轉化為電能,整個系統的工作原理與汽車發動機相似。

  NASA的太空技術任務部(STMD)已經為Kilopower項目提供了多年資助。據介紹,這種技術能產生1到10千瓦的電能,持續時間能達到10年或更長。美國家庭平均用電量在5千瓦左右。

  Kilopower項目的測試預計將在11月開始,並一直進行到明年年初。NASA正在與美國能源部內華達國家安全區合作,對核裂變能源技術進行評估。“Kilopower測試項目將給我們帶來信心,證明這項技術已經為太空飛行發展做好了準備,”來自NASA總部、擔任太空技術任務部動力和能源儲存首席技術官的李・梅森(Lee Mason)說,“我們將不斷地檢查分析模型,確定硬件工作時的最好狀態。”

  位於田納西州橡樹嶺的Y-12國家安全綜合體(Y12 National Security Complex)將為這套系統的測試提供反應堆堆芯。梅森表示,在探索火星的過程中,擁有太空級別的核裂變動力將是巨大的優勢。宇航員再也不用擔心夜間,或者在日光銳減的塵暴期間出現能源不足的問題。

  “它解決了這些問題,無論你身處火星何處,它都能提供持續的能源,”梅森說,“核裂變能源可以擴展火星的可能著陸點,包括北半球高緯度可能有冰存在的地區。”

  “太空核反應堆高能量密度的動力來源,並且能夠獨立運行,不受太陽能或方向的影響,還可以在極端惡劣的環境,比如火星表面上運行,”Kilopower項目在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的負責人帕特里克・麥克盧爾(Patrick McClure)說道。

  “我們現在測試的反應堆技術可以應用在多項NASA任務上,而我們最終希望這是核裂變反應堆成功的第一步,即建立一種具有真正野心並激勵太空探索的新範式,” 洛斯阿拉莫斯國家實驗室首席反應堆設計師大衛・波斯頓(David Poston)說,“對於任何首開先例的工程項目,簡約性是最根本的――不一定是最簡單的設計,而是要尋找從設計、開發、製造、安全保障到測試的最簡單路徑。”

  “我們努力要做的就是為太空任務提供新的選擇,而不是只依賴RTG(放射性同位素熱電機),這種發電機只能提供幾百瓦的電能,”梅森說,“我們在火星上已經做到的所有偉大成就,與到達那裡開展有人任務所需的一切之間,最大的區別就在於能源。這種新技術能提供千瓦級的電能,最終將發展到能提供數百千瓦,甚至百萬千瓦的電能。”

  由於反應堆體積很小,因此在單個火星登陸器上可以使用多個單元的組合,並能在火星表面任務中獨立運行。

  核能在太空任務中的應用

  放射性同位素熱電機(RTG)是一種利用放射性衰變獲取能量的發電機。過去50年來,NASA已經利用RTG技術完成了許多太空任務的發射。RTG技術還曾應用在兩艘海盜號(Viking)火星登陸器上,目前仍在火星上工作的好奇號火星車也裝載有RTG。

  人類登陸月球的阿波羅任務、兩艘旅行者號太空船,以及前往冥王星和更遠地方探索的新視野號探測器,還有剛剛結束使命的卡西尼-惠更斯號探測器,都使用了RTG。

  感謝冷戰時期的太空競賽,NASA的工程師發現了一種容易獲得的核能來源――鈾-238,這是生產武器級鈾-239時的副產品。

  斯特林發動機

  斯特林發動機的發明者是一位名為羅伯特・斯特林(Robert Stirling)的牧師,他於19世紀時生活在蘇格蘭中部的柏斯郡。

  羅伯特・斯特林把他的發明稱為“節熱器”(Heat Economiser),這是一種在多種工業過程中提高發熱和燃料效率的設備。

  斯特林在1816年獲得了發動機發明專利。不過,他在專利中描述了許多其他的應用,包括用在製造玻璃和其他產品的火爐上。1818年,斯特林建造了第一台能實際使用的發動機,用於為一家採石場取水。

  19世紀20年代,斯特林與他的兄弟詹姆斯合作,後者建議使用比大氣壓高得多的氣壓來獲得更大的能量輸出。兄弟倆在1827年和1840年因空氣發動機的改進獲得了更多專利。

  斯特林在1816年的專利就已經具有了現在所謂“斯特林循環發動機”的所有要素,包括一個動力活塞,一個可以在空氣冷熱兩端移動的配氣圓筒,以及一個蓄熱器。動力活塞壓縮配氣圓筒中冷端的空氣,使這些空氣轉移到熱端。空氣在熱端受熱膨脹,推動動力活塞往回運動。

  不幸的是,斯特林的實驗資料沒有保存下來,只留下了兩個發動機模型,目前分別收藏在格拉斯哥大學和愛丁堡大學。(任天)

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