镅（Americium）：小小元素如何为未来百年的太空探索供能

你家中烟雾报警器里的元素，或许将成为星际任务的能量来源。

1977年，两艘航天器 —— 旅行者1号和旅行者2号 —— 飞向未知。近五十年后，它们依然在星际空间的边缘运行，仍在向地球传回微弱的信号。如此长的寿命并非依靠太阳能电池板或电池（它们早在几十年前就会失效），而是源于一个小型核动力源。钚-238被封装在放射性同位素热电发生器（RTG）中。

如今，科学家们相信，一种新的燃料 —— 镅（Americium），可能会重塑深空探索的未来。它能为任务提供的动力不是几十年，而是几个世纪。它能让各国摆脱对有限钚资源的依赖。它甚至能催生新型航天器，在政府与文明几经变迁之后，仍能在恒星间漫游。要理解这种未来如何成为可能，首先要回答一个简单的问题：核电池为何如此特别？

航天器为何需要核能？

在地球附近，阳光充足，太阳能电池板表现卓越。它们为卫星、国际空间站甚至一些火星探测器提供动力。但随着距离增加，阳光迅速减弱。木星接收到的阳光只有地球的二十五分之一。在冥王星，光线强度减弱至千分之一。

如果旅行者号航天器依赖太阳能，每艘都需要比足球场还大的太阳能电池阵列。但实际上，它们各自携带了一个约垃圾桶大小的RTG。RTG通过将放射性衰变产生的热量转化为电能来工作。其内部是一个燃料芯块，通常由钚-238制成。随着钚原子衰变，它们以热的形式释放能量。热电偶将这些热量转化为电能。没有活动部件，也没有容易故障的机械结构。其结果是稳定可靠、可持续数十年的电力。

旅行者号的三个RTG各装载了近五公斤钚-238。在1977年发射时，它们产生了大约470瓦的功率。近半个世纪后，它们仍能提供超过200瓦的功率。这足以维持关键仪器的运行，即使工程师们已关闭其他系统以延长任务寿命。钚-238并非武器级钚。它不会发生失控裂变，不会达到临界状态，也不会熔毁。它只是以可控、稳定的方式衰变，释放热量。

钚-238如何成为"黄金标准"

钚-238的半衰期为88年，在能量输出和寿命之间取得了平衡。它于1969年首次应用于太空。早期的系统为阿波罗任务期间留在月球上的卫星和科学站提供动力。随着任务日益雄心勃勃，RTG随航天器到达了木星、土星、冥王星及更远的地方。

2004年至2017年环绕土星运行的卡西尼号，携带了33公斤钚-238。没有这个动力源，它无法在土星寒冷、遥远的黑暗中存活十三年。问题不在于性能，而在于供应。钚-238并非自然存在，必须在核反应堆中制造。冷战期间，美国和苏联生产了大量钚-238。冷战结束后，美国的核武器储备慢慢减少。

到21世纪初，NASA面临严重的短缺。2012年"好奇号"的RTG使用了最后一批主要储备中的一部分。重启生产花费了数年时间，直到2015年，橡树岭国家实验室才重新生产出新的钚-238。即使到现在，年产量也只有几百克。一次深空任务就可能需要五公斤或更多。以目前的速度，NASA无法仅靠钚来维持日益增长的任务需求。这一挑战为一个令人惊讶的替代品打开了大门。

镅：隐藏在核废料中的长寿命燃料

镅是较不为人知的合成元素之一，最初于1944年在曼哈顿计划中被制造出来。太空应用感兴趣的是其同位素镅-241。它的半衰期长达惊人的432年，是钚-238的五倍。

如此长的寿命使镅对于设计寿命为数世纪（而非数十年）的任务极具吸引力。但最引人注目的优势在于其供应。镅-241是在核废料中随着钚-241衰变自然形成的，会随着时间累积。

在英国，大量的民用核废料中含有可观的镅-241。这使得这种燃料不仅持久，而且易于获取。机构无需建造新的反应堆来生产钚，而是可以从现有废料中提取镅，这是一种行星尺度的回收利用。

镅提供了可持续性、可用性和战略独立性。尤其对于欧洲而言，它提供了一条不依赖美国钚资源的深空动力系统发展路径。

钚与镅的比较

对于需要高功率的任务，钚-238仍然是首选同位素。它每克释放的热量更多，化学性质稳定，每克约产生0.5瓦热功率。而镅-241每克仅产生约0.1瓦热功率，少了五倍。要产生相同的功率输出，镅RTG必须做得更大或更重。这在航天领域是一个挑战，因为质量是宝贵的资源。

钚是高性能选项。紧凑、产热高，非常适合像"毅力号"或"好奇号"这样需要为钻头、相机、激光器和通信系统供电的任务。镅则是耐力型选项。温度较低、体积较大，非常适合旨在运行数个世纪的小型、低功率探测器。

镅可能实现的任务

欧洲已经在研发基于镅的RTG。十多年来，莱斯特大学一直与欧洲空间局和英国空间局合作开发镅动力系统。他们的工作涵盖了全尺寸RTG和设计用于在寒冷世界为仪器保温的小型放射性同位素加热单元。

镅对于功率需求极低的长周期、慢速或遥远任务尤其具有吸引力，例如研究冰卫星地质过程的探测器，或设计用于在星际空间漂移数百年的深空仪器。

NASA提出的"星际探测器"任务概念，计划飞行至距地球1500亿公里之外，将需要一个能持续工作数代而非数十年的动力源。这正是镅的优势所在。镅RTG也提供了独立性。当欧洲因地缘政治紧张局势而无法获得俄罗斯的动力系统时，镅成为未来任务（如"罗莎琳德·富兰克林"号火星探测器）动力的关键战略。

载人火星任务可能会组合使用多种动力系统。镅可以扮演辅助角色，在多年的旅程中提供稳定的热量和电力。

功率密度的挑战与斯特林发动机的前景

镅最大的缺点是热输出低。更大的动力系统导致更重的发射质量。为了克服这一点，研究人员正在重新审视一项有数百年历史的技术 —— 斯特林发动机。斯特林转换器使用一个封闭循环系统，工作流体在其中膨胀和收缩，驱动连接至交流发电机的活塞。与开式循环的汽车发动机不同，该系统完全保留其工作流体，因此适用于太空应用。

传统的RTG使用热电转换，可靠但效率低下，通常仅达到5%的效率。斯特林发动机可以将热能转化为电能，效率达到25%或更高。这意味着要么从等量燃料中获得更多电力，要么用少得多的燃料获得相同的电力。

斯特林发动机会引入活动部件，这也引发了其在太空中的可靠性担忧。然而，镅稳定的热输出使得设计带有多个并联工作的斯特林转换器的RTG成为可能。如果一个发生故障，其他转换器可以补偿，维持功率输出。测试仍在继续，基于镅的斯特林RTG尚未实际飞行。但进展令人鼓舞，这种长寿命燃料与高效能量转换的结合可能会改变深空动力系统。

动力独立的新时代

几十年来，美国对钚-238生产的控制使NASA在深空任务领域几乎形成垄断。其他国家，包括欧洲国家，通常不得不依赖太阳能，或在任务设计上接受限制。

镅RTG改变了这一局面。它们创建了一条新的供应链，使各国能够独立开发自己的动力系统。如果镅系统发展成熟，两种燃料可能会共存 —— 钚用于高功率任务，镅用于长周期或低功率任务。

镅在地球上也可能找到用武之地。基于镅的动力系统可以支持偏远地区的军事行动、深海探索，或任何远离文明、需要稳定电力的环境。

镅驱动的未来

钚-238使得从月球到土星再到星际空间边缘的20世纪及21世纪初的伟大旅程成为可能。然而，随着雄心壮志的增长和钚资源的稀缺，一种新的燃料可能会塑造下一个探索时代。

镅燃烧得不如钚明亮，但燃烧得远为长久。它提供的是耐力而非原始功率，是长寿而非强度。而在跨越数个世纪的深空之中，耐力或许是最为重要的品质。

这种静静地存在于家用烟雾报警器中的元素，有朝一日或将为漂流于恒星间的仪器提供动力，或为在黑暗中探索外星海洋的探测器供能。探索宇宙的竞赛，可能不仅取决于火箭和望远镜，还取决于谁掌控着能让航天器在发射后长久存活的核材料。

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