NASA测试核发动机:或为火星任务提供能源

2017-12-04

核发动机
上图是该系统在火星表面的想象图。

火星的人类提供能源。
这台“核发动机”或许将为首批登陆火星的人类提供能源。

12月4日消息,据国外媒体报道,美国航空航天局(NASA)计划开始对“核发动机”进行测试,这或许将为宇航员登陆火星并在火星表面开展任务提供能源。

这个发动机项目被称为“Kilopower”,将采用一个只有卫生卷纸大小的铀反应堆来产生热能。接着,这些热能将由一台高效率的斯特林发动机转化为电能,整个系统的工作原理与汽车发动机相似。

NASA的太空技术任务部(STMD)已经为Kilopower项目提供了多年资助。据介绍,这种技术能产生1到10千瓦的电能,持续时间能达到10年或更长。美国家庭平均用电量在5千瓦左右。

Kilopower项目的测试预计将在11月开始,并一直进行到明年年初。NASA正在与美国能源部内华达国家安全区合作,对核裂变能源技术进行评估。“Kilopower测试项目将给我们带来信心,证明这项技术已经为太空飞行发展做好了准备,”来自NASA总部、担任太空技术任务部动力和能源储存首席技术官的李·梅森(Lee Mason)说,“我们将不断地检查分析模型,确定硬件工作时的最好状态。”

位于田纳西州橡树岭的Y-12国家安全综合体(Y12 National Security Complex)将为这套系统的测试提供反应堆堆芯。梅森表示,在探索火星的过程中,拥有太空级别的核裂变动力将是巨大的优势。宇航员再也不用担心夜间,或者在日光锐减的尘暴期间出现能源不足的问题。

“它解决了这些问题,无论你身处火星何处,它都能提供持续的能源,”梅森说,“核裂变能源可以扩展火星的可能着陆点,包括北半球高纬度可能有冰存在的地区。”

“太空核反应堆高能量密度的动力来源,并且能够独立运行,不受太阳能或方向的影响,还可以在极端恶劣的环境,比如火星表面上运行,”Kilopower项目在洛斯阿拉莫斯国家实验室的负责人帕特里克·麦克卢尔(Patrick McClure)说道。

“我们现在测试的反应堆技术可以应用在多项NASA任务上,而我们最终希望这是核裂变反应堆成功的第一步,即建立一种具有真正野心并激励太空探索的新范式,” 洛斯阿拉莫斯国家实验室首席反应堆设计师大卫·波斯顿(David Poston)说,“对于任何首开先例的工程项目,简约性是最根本的——不一定是最简单的设计,而是要寻找从设计、开发、制造、安全保障到测试的最简单路径。”

“我们努力要做的就是为太空任务提供新的选择,而不是只依赖RTG(放射性同位素热电机),这种发电机只能提供几百瓦的电能,”梅森说,“我们在火星上已经做到的所有伟大成就,与到达那里开展有人任务所需的一切之间,最大的区别就在于能源。这种新技术能提供千瓦级的电能,最终将发展到能提供数百千瓦,甚至百万千瓦的电能。”

由于反应堆体积很小,因此在单个火星登陆器上可以使用多个单元的组合,并能在火星表面任务中独立运行。

核能在太空任务中的应用

放射性同位素热电机(RTG)是一种利用放射性衰变获取能量的发电机。过去50年来,NASA已经利用RTG技术完成了许多太空任务的发射。RTG技术还曾应用在两艘海盗号(Viking)火星登陆器上,目前仍在火星上工作的好奇号火星车也装载有RTG。

人类登陆月球的阿波罗任务、两艘旅行者号太空船,以及前往冥王星和更远地方探索的新视野号探测器,还有刚刚结束使命的卡西尼-惠更斯号探测器,都使用了RTG。

感谢冷战时期的太空竞赛,NASA的工程师发现了一种容易获得的核能来源——铀-238,这是生产武器级铀-239时的副产品。

斯特林发动机

斯特林发动机
斯特林发动机的发明者是一位名为罗伯特·斯特林(Robert Stirling)的牧师,他于19世纪时生活在苏格兰中部的珀斯郡。

节热器
罗伯特·斯特林把他的发明称为“节热器”(Heat Economiser),这是一种在多种工业过程中提高发热和燃料效率的设备。

斯特林发动机的发明者是一位名为罗伯特·斯特林(Robert Stirling)的牧师,他于19世纪时生活在苏格兰中部的珀斯郡。

罗伯特·斯特林把他的发明称为“节热器”(Heat Economiser),这是一种在多种工业过程中提高发热和燃料效率的设备。

斯特林在1816年获得了发动机发明专利。不过,他在专利中描述了许多其他的应用,包括用在制造玻璃和其他产品的火炉上。1818年,斯特林建造了第一台能实际使用的发动机,用于为一家采石场取水。

19世纪20年代,斯特林与他的兄弟詹姆斯合作,后者建议使用比大气压高得多的气压来获得更大的能量输出。兄弟俩在1827年和1840年因空气发动机的改进获得了更多专利。

斯特林在1816年的专利就已经具有了现在所谓“斯特林循环发动机”的所有要素,包括一个动力活塞,一个可以在空气冷热两端移动的配气圆筒,以及一个蓄热器。动力活塞压缩配气圆筒中冷端的空气,使这些空气转移到热端。空气在热端受热膨胀,推动动力活塞往回运动。

不幸的是,斯特林的实验资料没有保存下来,只留下了两个发动机模型,目前分别收藏在格拉斯哥大学和爱丁堡大学。

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