宇宙飛船技術越來越複雜，未來會選擇用什麼來供電？

據英國廣播公司(BBC)網站報道，對於飛船而言，電力系統是一個核心組成部分。它們必須能夠在極端環境條件下仍然保持極高的可靠性。然而，隨著現代飛船技術愈發複雜，其對於電力系統的要求也是越來越苛刻，那麼未來的推進系統將會如何發展？

儘管70年代發射的美國旅行者飛船的推進系統在技術上並不先進，但它仍然持續正常工作了超過38年

美國宇航局的「小行星轉向項目」(Asteroid Redirect Mission)將採用新一代太陽能帆板技術，其效率更高，壽命也更長

令人震驚的高可靠性與長壽命

脆弱性似乎是現代電子設備的通病——你的智能手機如果不充電，恐怕連一天都難以堅持。然而相比之下，航天器的耐用性往往會讓你感到震驚：38年前發射升空的旅行者號飛船至今仍在工作，向我們傳回關於太陽系邊緣的重要信息。這艘飛船每秒鐘能夠有效處理81000條指令，而相比之下，你手裡的智能手機的信息處理能力要比這高出大約7000倍。

當然，你的智能手機之所以在電池依賴性方面表現如此之差，是因為它的設計本來就需要每天充電的，而且它也幾乎不可能會出現在遠離地球數百萬甚至數億公里外的宇宙空間的情況。而相比之下，如果一艘飛船沒電了，而最近的充電樁距離它也有數十億公里遠，那麼要想給它充電就顯得不太現實了。因此，一艘打算在太空中飛行數十年的飛船，要麼一開始就用某種方法存儲上足夠的電量，或者就得在途中自己想辦法發電。事實證明，說起來容易做起來難，這事兒還要想成功實現還是很難的。

儘管飛船上搭載的電子設備很多只是偶爾需要電力供應，但也有一部分設備是必須確保不間斷供電的，比如信號接收機和發射機必須時刻處於通電狀態，而如果是載人飛船，那麼生命維持系統和照明系統也同樣將是不能關閉的。

勞·蘇拉普迪博士(Dr Rao Surampudi)是美國加州噴氣推進實驗室(JPL)的電力技術項目主管。在過去的30年間，他一直致力於為美國宇航局的各類航天器開發電源系統。

根據蘇拉普迪博士的說法，一般情況下航天器的電源系統會佔到整個航天器質量的大約30%，並且一般可以分解為三大部分：發電系統、儲能系統以及電源管理及分配系統。

這些系統對於飛船來說絕對是必要而關鍵的，而為了適應飛船的特殊使用條件，它們在質量和設計上會有一系列嚴苛的要求——首先質量必須足夠小，以便提升所謂「能量密度」，也就是說它必須能夠在足夠小的體積內產生足夠強大的電力；同時它必須具有長壽命的特點，且高度可靠，因為在發射之後，如果飛船電力系統出現故障，這時候再要想派工程師前去維修顯然是不現實的。

這套供電系統不僅必須能夠確保每一件飛船搭載設備的電力使用需求，它還必須確保在整個飛船的使用壽命內能夠持續提供這樣的電力支持——這樣的時間可能是幾年，幾十年甚至上百年。蘇拉普迪博士表示：「設計的使用壽命必須足夠長，因為一旦發生故障，你是不可能有什麼維修或挽救機會的。舉例來說，飛往木星需要5~7年，飛往冥王星需要超過10年，而要想離開我們的太陽系，你需要連續飛行20~30年。」

考慮到飛船運行環境的特殊性，飛船電力系統還必須能夠在零重力和高真空環境下正常運作，同時必須經受超強輻射環境和極端溫度的考驗。蘇拉普迪博士說：「如果你的探測器打算在金星表面著陸，那邊的溫度是460攝氏度。而如果你打算沖入木星大氣層，那麼那裡的溫度是零下150度。」

很多在內太陽系區域飛行的探測器都會安裝太陽能帆板，通過太陽能進行發電。或許從外觀上看上去你會覺得這些飛船安裝的太陽能帆板跟自己家裡使用的同類設備並無不同，但實際上，航天器所使用的太陽能板在發電效率和可靠性上要遠遠超過普通的民用產品。

不過，在內太陽系區域飛行的航天器太陽能帆板也有可能因為距離太陽太近而發生過熱現象，此時飛船就需要調整自己的太陽能帆板位置，從而使其避開太陽的灼熱光芒。

隨著飛船進入一顆行星的軌道，飛船的太陽能帆板產能效率將會下降，由於行星陰影的周期性遮擋，飛船太陽能板將無法產生像此前那麼多的電能，在這樣的情況下，我們就需要一套高效的電力儲能設備。

美國宇航局正在研發的「先進斯特林同位素熱電機」(ASRG)將為未來的長期太空任務提供電力支持

如果採用核電技術，未來我們去往其他星球建立殖民地時，甚至不需要專門攜帶一台發電機，因為我們的飛船本身就攜帶了一座核電站！

原子能帶來的啟示

其中一種備選方案是鎳氫電池，其可以反覆充放電超過5萬次，使用壽命超過15年。與無法在太空環境下使用的普通商業級電池組不同，這些特製的鎳氫電池組都是封閉系統，從而可以在真空環境下正常工作。

隨著飛船遠離太陽，太陽能帆板的產能效率逐漸下降，從地球軌道附近的每平米1374瓦特下降到木星軌道附近的每平米50瓦特，而到了冥王星軌道附近，這一數字更是下降到了不到每平米1瓦特。因此，當一艘探測器計劃飛行到木星軌道之外，那麼科學家們就傾向於不再使用傳統的太陽能帆板，而是採用核動力裝置為飛船供電。

其中最常見的是所謂的「放射性同位素熱電發電機」(RTG)，這套系統已經被安裝在了旅行者號、卡西尼號飛船和好奇號火星車上。這些都是完全一體化的固體設備，整體上沒有任何可移動部件。其原理是通過放射性元素，如鈈的衰變產生熱量，一般使用壽命在30年以上。

而當條件不允許使用RTG電池，比如說載人飛船上由於考慮到放射性衰變產生的輻射屏蔽問題；但與此同時到太陽之間的遙遠距離又不允許使用太陽能帆板時，燃料電池就有了它的用武之地。

氫氧燃料電池在此前美國執行的阿波羅和雙子座載人航天項目中被廣泛使用。儘管這種電池是無法再次充電的，但其儲能性能很不錯，並且唯一產生排放物就是水蒸氣，在冷凝之後還可以作為宇航員的飲用水來源。

美國宇航局(NASA)和噴氣推進實驗室(JPL)持續開展的相關研究工作未來將讓電力系統能夠產生並存儲更多電力並維持更長的使用壽命。畢竟，新型飛船正對越來強大的儲能設備提出需求，因為這些飛船和上面搭載的系統正變得越來越複雜，同時也越來越耗電。

這種對於電力的高需求尤其出現在那些採用全電推進系統的航天器上，如1998年首先在「深空一號」探測器上測試的離子推進器，而現在這種系統已經在不同航天器上得到廣泛應用。電力推進通常是採用高速電驅推進劑實現驅動的，但也有一種被稱作「電動力繩系」的技術，可以利用行星磁場的能量實現飛船驅動。

在地球上我們所使用的大部分電力系統到了太空都會變得無法運作。基於這個原因，任何空間電力系統在被安裝到飛船上之前都必須經過嚴苛的軌道環境測試。美國宇航局和噴氣推進實驗室利用它們的環境模擬實驗室檢驗新技術在嚴酷環境下的性能表現，方法通常包括使用強烈輻射轟擊精密部件和系統，並將其暴露於極端溫度環境下測試其性能。

未來的技術發展

當前，研究人員正在為未來的空間探測任務研發「斯特林放射性同位素髮電機」(SRG)。基於現有的RTG技術，這種新型同位素髮電機的發電效率遠高於其基於熱電同類，且它的體積可以做到非常小，當然也有代價，那就是其技術的複雜程度也將隨之大大上升。

美國宇航局在規劃未來前往木衛二的探測任務時，也在考慮研發新型電池類型。這種電池可以適應在零下80攝氏度至零下100攝氏度的極端低溫環境下正常使用。先進的鋰離子電池技術也正在被不斷改進，以便將其儲能量從現在的水平上提升一倍。這些舉措將大大提升電池的能量密度，從而在未來允許宇航員可以在太空連續執行任務的時間大大延長。

太陽能帆板技術也正在同步推進研發，新型太陽能帆板能夠適應在遠離太陽，光照強度弱，溫度極低的環境下正常工作。這樣的技術進步意味著未來藉助太陽能帆板的探測器或許將能夠在更加遠離太陽的空間區域執行探測任務。

在未來的某個時間點，美國宇航局將會尋求在火星上建立一個永久性的人類基地，而在更加遙遠的未來，這樣的人類基地或許也會出現在其他太陽系天體上。從這些角度考慮，現有的太空供電系統在未來也將面臨大型化的壓力，以便能夠為這樣的長期、超大型的太空項目提供電力支持。

月球上富含氦-3，這種元素在地球上非常罕見，是核聚變反應的理想原料。然而，目前我們人類的技術還無法做到讓核聚變能量作為一種穩定而可靠的飛船能源。並且目前我們所能建造的核聚變裝置，如托克馬克裝置，體積都極其巨大，一般都需要一間大型房間才能容得下，根本沒有辦法安裝到飛船上。

那麼核反應堆呢？核反應堆使用核裂變技術，這是目前人類已經成熟掌握的發電手段。看起來對於那些採用全電力推進，或是未來計劃在月球及火星表面長期駐留的太空任務會比較適合採用這種能源方式——如果真是這樣，我們去往火星建立殖民地時，甚至不需要專門攜帶一台發電機，因為我們的飛船本身就攜帶了一座核電站！

採用核電推進技術的飛船已經被考慮作為未來太空長期飛行任務的備選方案。蘇拉普迪博士表示：「美國宇航局的『小行星轉向項目』(Asteroid Redirect Mission)將會安裝大型太陽能帆板，以便能夠提供足夠電力讓飛船在小行星之間機動飛行。」他說：「在當前階段，我們考慮的仍然還是太陽能驅動的方案，但在未來如果能夠採用核電系統，那麼整個項目的花費將會更少。」

不過，要想看到安裝核電系統的飛船，我們或許還需要等待很多年。蘇拉普迪博士表示：「這項技術在當前還不夠成熟。我們需要確保在發射時它是足夠安全的。」為了確保這一點，必須開展各種嚴苛的測試，以便確認這類設備在火箭發射及太空飛行期間的極端壓力環境下是安全的。

儘管很多還仍然處在前期論證階段，但所有以上這些提到的新型電力技術在未來將讓我們的飛船能夠飛行地更久，更遠。一旦這些技術成熟，在我們規劃未來飛往火星或更遙遠地方的探測任務時，它們都將成為不可或缺的關鍵部件。

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