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朱諾號沒有的法寶:放射性同位素熱電機

這一顆行星曾被外星太空船侵入多次,今年美國的獨立紀念日又遭到新的太空船進犯,而且這次的太空船比上一次的更大!

我可不是在說電影,這裡說的可憐行星是木星,而這個「外星」太空船則是來自地球的美國朱諾號(Juno)探測器。它雖然和電影《ID4》中侵略地球的外星飛碟相比微不足道,但是它有三個8.9公尺長的龐大太陽能板,一個籃球場都放不下,也的確比其他造訪過木星的太空船大得多。不是因為NASA喜歡大,這是不得已的。因為木星離太陽遠,朱諾號最多只會收到地球附近4%的陽光,因此只有增加太陽能板的面積,但是這也讓朱諾號的重量增加了340公斤。也別不滿足了,要不是近年太陽能板的光伏效率大幅精進,朱諾號一定更肥。想要用太陽能到更遠的土星?慢慢等吧。

Juno in a basketball court

說到這裡你會不會奇怪,有史以來所有造訪木星的太空船,包括短暫飛越木星的先鋒號、航海家,和繞行木星八年的伽利略號怎麼都沒有太陽能板呢?那是因為NASA有一個法寶,那些老太空船都有,只有朱諾號沒有。

這個法寶叫做「放射性同位素熱電機」(Radioisotope Thermoelectric Generator,簡稱為RTG),是一種小型的核能發電機。別被嚇到,它的「核能」不是核能發電廠那種核分裂連鎖反應,說穿了只是一坨高純度的放射性原料,在放射的過程中會生熱,因此就是一個不用插電的暖爐。如是這時候再把「熱電偶」放在冷熱的交界處,溫度差異產生的熱電效應就會產生電壓,提供穩定的電流,就好像一個源源不絕的電池。這樣的電源雖然能量轉換效率低,但是能量夠大、體積小,就是一塊東西,沒有動件,不需維修,真好。

這些都是深入木星軌道以外的美國太空船,那裡陽光不足,因此幾乎都用RTG。朱諾號和歐洲探測彗星的「羅塞塔號」是所有到小行星帶外的太空船中唯二沒有RTG的。

可以用來做RTG的放射性同位素並不多,蘇聯曾經把「鍶90」做的RTG給北極圈裡方圓百里無人煙的燈塔,只是鍶-90β衰變放射線穿透力強,需大塊厚重的金屬層層包起來才行。蘇聯解體後,曾有偷廢鐵的小偷看上這堆「廢鐵」,就把老舊的RTG大卸八塊拆回家,卻被放射線弄得幾乎一命嗚呼,還不知道怎麼死的。

適合放在太空船上的只有「鈽238」,因為它的能量更大,但薄薄的金屬殼就足以擋住它α衰變產生的放射粒子,而且半衰期為87.7年,特別適合需要長期飛行的太空船。只有一個問題:自然界沒有鈽238,它是製造核子武器的副產品,當年核子俱樂部的國家只有美國和蘇聯看出它的價值,把它留下來。美國六零年代生產大量核子武器,手上的鈽238多得用不完,不但阿波羅計劃的登月小艇都有RTG(至今還在發電),有的人造衛星也有。蘇聯應該也半斤八兩,發射不少帶有RTG的人造衛星,只是資料從來沒有公布。後來太陽能板技術漸漸成熟,就不再在普通人造衛星上用RTG了。

鈽238根本就是靠自己燒紅的金屬塊。

好景不常,美蘇限武談判後全面停止製造核武,1988年後美國就不再製造鈽238NASA才驚覺未來太空船的能源有問題,還好俄國對錢的興趣更甚于太空探險,趕快向它買16.5 公斤。現在NASA手上的鈽238一共只有35公斤,但是堪用的只有17公斤。

17公斤很多嗎?好奇號火星車就用了來自俄國的4.1公斤,幾個月前通過冥王星的新地平線號用了約10公斤,正在土星的卡西尼太空船更用掉30公斤。

美國預計要砸下9千萬美金,由能源部負責生產,估計在2018年後可以達到穩定量產:每年1.52公斤,省著點用還勉強活得下去。另一方面,NASA也在發展效率是RTG四倍的「先進史特林同位素發電機」(advanced Stirling radioisotope generatorASRG),那就更省了。沒辦法,現在入流的國家都不再製造核武,鈽238就成了稀世珍寶,難道要NASA向北韓買嗎?

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