我们如何在没有核动力的情况下到达木星

今年夏天，当NASA的朱诺号探测器抵达木星时，工程师们跳起了胜利之舞——这不仅仅是因为他们的任务将返回有史以来最好的木星数据。他们还在庆祝朱诺号的太阳能电池板——这是任何行星探测器上最大的——将任务带到了比任何其他太阳能航天器都更远的地方。

朱诺号的太阳能技术代表了太空探索的巨大飞跃。在此成功之前，遥远的航天器使用的是核动力。卡西尼号探测器前往土星、双子座旅行者号（Voyagers）的超太阳系旅行、好奇号（Curiosity）在火星表面的漫游、新视野号（New Horizons）飞掠冥王星以及伽利略号（Galileo）近距离接触木星，所有这些都得益于放射性元素钚-238。

NASA使用致密的钚“颗粒”作为燃料。当原子衰变时，它们会释放出高速的氦核，然后变成更小的铀原子。喷射出的氦粒子会撞击周围的原子。这种碰撞会产生热量，航天器将其转化为电能。

但这种能源有一个问题：我们正在耗尽。地球的天然供应已经衰变了数十亿年，如今只剩下微小的痕迹。在冷战期间，当美国制造原子弹材料时，钚-238是一个幸运的副产品。但自从我们决定更加和平以来，那些设施就已经消失了。

然后，在大约2012年，能源部和NASA委托橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）恢复这些技能和基础设施。去年12月，橡树岭喜悦地回应：“我们做到了！”该实验室辐照了镎-237，这些充满活力的原子衰变成了钚-238，工程师们将其分离并运去制成颗粒。

但这仅仅是一次演示，尚未能满足NASA的需求。根据橡树岭项目负责人罗伯特·沃姆（Robert Wham）的说法，该机构目前只有大约35公斤的钚。而且所有这些都在衰变。

他说：“如果你让材料衰变太久，你就无法获得热量。”

沃姆希望这个项目能够缓解未来能源供应的限制。他说：“我不想供应成为未来任务的障碍。”

太阳能解决方案

洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）的凯文·鲁道夫（Kevin Rudolph）是朱诺号的首席工程师之一，他说，核能不再是唯一的选择。这艘探测器的成功表明，太阳能是深空探索的有力竞争者。

鲁道夫说：“核能非常昂贵，而太阳能电池阵列的成本却远不及此。”

太阳能电池板的优先性并非总是显而易见的。在20世纪80年代和90年代，太阳能电池的效率只有大约10%到15%，这意味着如果它们捕获了100瓦的阳光，它们只输出了10到15瓦的电力。而在木星——距离太阳比地球远五倍——阳光的能量只有地球上的25分之一。鲁道夫说：“当距离木星这么远时，当时的普遍想法是你不能使用太阳能，因为它太难了。”

到2000年代初朱诺号团队开始建造时，太阳能电池能够以大约三分之一的面板尺寸提供相同的电力。

工程师们决定为朱诺号配备三个太阳能阵列，每个阵列宽9英尺，长30英尺。太阳能电池的接线方式不同，不同部分设计用于利用不同的条件。朱诺号在靠近地球时只需要75平方英尺的电池开启，因为那里的光线很亮；另外150平方英尺的电池帮助朱诺号穿过小行星带；其余部分则针对在辐射高的地方（近木星）运行进行了优化。

鲁道夫说：“在这种条件下，我们从电池中获得完全不同类型的电输出。”

当朱诺号靠近地球时，只有针对地球条件设计的电池开启。在它经过中等距离并继续向外飞行后，所有三个阵列都启动了。这种组合产生了大约550瓦的电力——比朱诺号通常需要的50瓦还要多。到目前为止，效果都很好。

现在，是时候走得更远，做得更好了。朱诺号的太阳能电池安装在重型铝-石墨面板上。在更新的设计中，工程师们将电池固定在一种柔韧、轻质的薄片上，更容易发射。尽管下一个行星（提醒：土星）距离太阳是木星的两倍，但鲁道夫认为，总有一天，太阳能捕获技术可以在没有钚的情况下为这次旅行提供动力。

未来的燃料

但是，下一代、再下一代的太阳能技术尚未准备好进入太空。NASA的“变革性发展计划”（Game Changing Development Program）正在致力于此。该项目的执行官LaNetra Tate表示：“我们致力于高回报、高价值的技术。”这包括太阳能。

2016年3月，该项目向四个团队提供了高达40万美元的资金，用于开发旨在在低温、高辐射环境下工作的太阳能电池。本月，官员们计划选择最好的两个团队继续进行，再提供高达125万美元的开发资金，然后再选出一个最终团队，以可能用于未来任务的太阳能阵列。

Tate说，灵感来自几个任务，包括朱诺号。工程师们发现，他们不得不采取极端定制，基本上筛选太阳能电池阵列中的每个电池，只使用一批中最优异的，以挤出更多的能量。NASA希望很快就能批量生产完美的电池——而不是一个很棒的“饼干”和一大堆“歪的”。

如果他们能够做到这一点，这样的阵列很快就能将太阳能的范围扩展到外行星，从而将宝贵的钚用于更耗能的NASA任务。这意味着更便宜、更好的数据——以及更多的胜利之舞。

[本文最初以“飞往木星，无需核动力”的形式印刷。]