圖：月球上核裂變能源系統(tǒng)概念渲染圖

NASA空間技術(shù)任務(wù)局核技術(shù)組合負(fù)責(zé)人安東尼 · 卡洛米諾 (Anthony Calomino)表示，該計(jì)劃是在本世紀(jì) 20 年代末之前開(kāi)發(fā) 10 千瓦級(jí)的核裂變動(dòng)力系統(tǒng)，在月球上進(jìn)行演示。NASA 將在地球上進(jìn)行制造組裝，然后進(jìn)行安全測(cè)試，以確保其正常運(yùn)行。

該核裂變動(dòng)力系統(tǒng)將與月球著陸器結(jié)合，然后被運(yùn)載火箭送到繞月軌道上。著陸器會(huì)將該系統(tǒng)送到月球表面，并可以立即運(yùn)行，不需要額外的組裝。這次演示預(yù)計(jì)將持續(xù)一年時(shí)間，最終可能支持在月球、火星、甚至在更遙遠(yuǎn)的太空進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù)。

卡洛米諾說(shuō)：“一旦這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)演示得到認(rèn)證，未來(lái)的系統(tǒng)就可以擴(kuò)大規(guī)模，或者多個(gè)裝置可以共同用于月球和火星的長(zhǎng)期任務(wù)。四個(gè)機(jī)組，每個(gè)機(jī)組提供 10 千瓦電力，足以滿足月球或火星前哨基地的需求。核裂變動(dòng)力系統(tǒng)在行星表面產(chǎn)生大量電力，這將使大規(guī)模勘探、建立人類(lèi)前哨基地和就地利用資源成為可能，同時(shí)也為商業(yè)化提供了機(jī)會(huì)。”

NASA 正在與核研究機(jī)構(gòu)愛(ài)達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (INL)合作。但這個(gè)計(jì)劃現(xiàn)實(shí)嗎?六年后交付是否可能?INL 太空核能和同位素技術(shù)部主任史蒂夫 · 約翰遜 (Steve Johnson)認(rèn)為完全可行。他說(shuō)：“我們能夠利用多年來(lái)在先進(jìn)燃料和材料方面的研發(fā)成果，以及最近的太空商業(yè)化運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)展來(lái)降低延遲完工的風(fēng)險(xiǎn)，以實(shí)現(xiàn) 2026 年的預(yù)定目標(biāo)。”

核電站將如何運(yùn)作?

卡洛米諾說(shuō)，確保這個(gè)項(xiàng)目成功的關(guān)鍵技術(shù)是核反應(yīng)堆、電力轉(zhuǎn)換、散熱和太空飛行技術(shù)。他表示：“低濃縮度的核燃料將為核芯提供動(dòng)力。小型核反應(yīng)堆會(huì)產(chǎn)生熱量，這些熱量會(huì)通過(guò)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變?yōu)殡娔?，?jīng)調(diào)節(jié)后分配給月球和火星表面的用戶(hù)設(shè)備。散熱技術(shù)對(duì)于保持設(shè)備正常運(yùn)行的溫度也很重要。”

約翰遜稱(chēng)，除了過(guò)去幾十年的研發(fā)外，致力于創(chuàng)建核反應(yīng)堆、電力轉(zhuǎn)換、散熱和太空飛行技術(shù)的現(xiàn)有物理基礎(chǔ)設(shè)施，將使 2026 年的目標(biāo)成為可能。他說(shuō)：“我們可以利用國(guó)家實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)施和技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)來(lái)支持這一重要方案，以實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)。在 INL，我們支持未來(lái)幾個(gè)月的行業(yè)和伙伴的努力，以設(shè)計(jì)這個(gè)演示反應(yīng)堆，將航空航天、核能和電力公司聯(lián)合起來(lái)，共同實(shí)現(xiàn)里程碑式的成就。”

圖：SpaceIL 的 Beresheet 探測(cè)器在軌道上拍攝的月球照片

卡洛米諾說(shuō)，NASA 已經(jīng)與美國(guó)能源部合作，他們將共同制定任務(wù)和系統(tǒng)要求。INL 將管理核裂變動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)合同，包括反應(yīng)堆和防護(hù)系統(tǒng)、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)以及電力管理和分配系統(tǒng)。他說(shuō)：“核裂變動(dòng)力系統(tǒng)將以每年提供 10 千瓦電力的能力運(yùn)行 10 年左右。”他補(bǔ)充說(shuō)，10 千瓦電力大致相當(dāng)于為 3 到 4 個(gè)大家庭供電。

卡洛米諾表示，為了衡量行業(yè)的興趣并征求該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，INL 向行業(yè)征集信息，并且已經(jīng)收到了 22 份書(shū)面回復(fù)，這些回復(fù)的公司都來(lái)自航空航天、核能和電力轉(zhuǎn)換行業(yè)。

雖然卡洛米諾沒(méi)有透露這些公司的名字，但他稱(chēng)這些公司在制造核反應(yīng)堆、開(kāi)發(fā)航天技術(shù)以及制造業(yè)擁有豐富經(jīng)驗(yàn)，而這些行業(yè)正是這個(gè)特殊項(xiàng)目所需的專(zhuān)門(mén)設(shè)備行業(yè)。他補(bǔ)充說(shuō)，NASA 和美國(guó)能源部計(jì)劃在 2021 年初發(fā)布初步設(shè)計(jì)合同建議書(shū)，特別是與核裂變有關(guān)的建議書(shū)。未來(lái)的合同授予價(jià)值仍有待確定。

卡洛米諾說(shuō)：“政府計(jì)劃授予多個(gè)短期合同，以開(kāi)發(fā)初步設(shè)計(jì)，然后再授予最終飛行硬件開(kāi)發(fā)的大合同。”該項(xiàng)目預(yù)計(jì)各公司將組建專(zhuān)門(mén)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)動(dòng)力系統(tǒng)所需的所有技術(shù)。這個(gè)項(xiàng)目非常復(fù)雜，因?yàn)樗枰喜煌墓こ碳寄?。畢竟，?zhuān)門(mén)從事核反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)的公司，可能沒(méi)有開(kāi)發(fā)航天設(shè)備或電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的企業(yè)知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)。”此外，可能還需要其他專(zhuān)門(mén)的通信設(shè)備、傳感器、電力轉(zhuǎn)換技術(shù)和熱傳遞技術(shù)，這些技術(shù)通過(guò)建立合作伙伴關(guān)系而獲得最為有效。

月球核反應(yīng)堆安全嗎?

在普通人看來(lái)，在月球上建造核反應(yīng)堆的想法可能不同尋常，甚至覺(jué)得極其危險(xiǎn)。就業(yè)機(jī)構(gòu) Get Into Nuclear 的創(chuàng)始人安德魯 · 克拉布特里 (Andrew Crabtree)表示，雖然這項(xiàng)工程有很多因素需要考慮，但并不需要考慮在太空使用核能是否安全的問(wèn)題。

克拉布特里說(shuō)：“核能以前在太空中使用過(guò)無(wú)數(shù)次。自 1969 年 11 月阿波羅 12 號(hào)成功經(jīng)受住巨大的溫度變化以來(lái)，原子能一直在月球上運(yùn)行。阿波羅 12 號(hào)標(biāo)志著首次在月球上使用核電系統(tǒng)。”他還說(shuō)，擔(dān)心太空受到污染純屬杞人憂天。

但環(huán)保企業(yè)的盈利和營(yíng)銷(xiāo)顧問(wèn)謝爾 · 霍洛維茨 (Shel Horowitz)表示，在月球上建造核電站將是徒勞的，而且完全沒(méi)有必要。 他說(shuō)：“隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能和小型水電系統(tǒng)提供的清潔能源的成本迅速下降，再加上我們通過(guò)節(jié)約能源實(shí)現(xiàn)的效率不斷提高，沒(méi)有理由建立耗時(shí)、昂貴且令人擔(dān)憂的核電站。沒(méi)有它，我們也可以滿足能源需求。”

作為回應(yīng)，卡洛米諾說(shuō)，這個(gè)項(xiàng)目很可能需要使用霍洛維茨引用的諸多可再生能源。未來(lái)執(zhí)行的其他任務(wù)可能也需要它們，但在太空運(yùn)行的挑戰(zhàn)是獨(dú)特的，這可能會(huì)使利用可再生能源變得不切實(shí)際。

他說(shuō)：“這些任務(wù)可能需要各種各樣的太陽(yáng)能、電池、放射性同位素以及核裂變動(dòng)力系統(tǒng)，以滿足廣泛的苛刻要求。在太陽(yáng)能、風(fēng)能和水力發(fā)電不容易獲得的地方，核電是必要的。例如，在火星上，太陽(yáng)的能量在不同季節(jié)變化很大，沙塵暴可能會(huì)持續(xù)幾個(gè)月。在月球上，寒冷的月球夜晚持續(xù) 14 天，而兩極附近的光照變化很大，永久陰影下的隕石坑里根本沒(méi)有陽(yáng)光。在這些具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，利用陽(yáng)光發(fā)電是困難的，燃料供應(yīng)也很有限。而核電提供了一種輕便、可靠和高效的解決方案。”

為商業(yè)建筑行業(yè)推廣可再生能源的梅林克公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官，史蒂夫 · 梅林克 (Steve Melink)說(shuō)，還有其他因素需要考慮。他問(wèn)道：“當(dāng)出問(wèn)題時(shí)，尤其是緊急問(wèn)題，我們將如何解決?”

梅林克建議 NASA 使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，他說(shuō)這種技術(shù)已經(jīng)被用于太空發(fā)電，并稱(chēng)這是個(gè)更實(shí)用的解決方案。梅林克表示：“在過(guò)去的 10 年里，太陽(yáng)能光伏的成本下降了很多，以至于地球上各地的公共設(shè)施、企業(yè)和學(xué)校都在安裝太陽(yáng)能光伏，它不存在熔毀、放射性污染和完全斷電等災(zāi)難性風(fēng)險(xiǎn)。隨著時(shí)間推移，太陽(yáng)能是確保冗余性和可擴(kuò)充性的最終解決方案。”

盡管存在這些擔(dān)憂，卡洛米諾表示，確保安全始終是 NASA 的首要任務(wù)。該項(xiàng)目仍需通過(guò)國(guó)家環(huán)境政策法案的審批程序，其中包括評(píng)估該項(xiàng)目的環(huán)境影響，動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將使核燃料在到達(dá)月球表面之前不會(huì)被激活。卡洛米諾說(shuō)：“與地面反應(yīng)堆不同的是，太空沒(méi)有移除或更換核燃料的打算。”

卡洛米諾說(shuō)，在其為期 10 年的任務(wù)結(jié)束時(shí)，還有一項(xiàng)安全退役該設(shè)施的計(jì)劃。他表示：“在任務(wù)結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)將關(guān)閉，輻射水平將逐漸降低到人類(lèi)接觸和處理的安全水平。使用過(guò)的系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)移到一個(gè)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)位置，在那里它們不會(huì)對(duì)宇航員或環(huán)境構(gòu)成任何威脅。”

圖：藝術(shù)家對(duì)人類(lèi)火星基地的構(gòu)思，其剖切面揭示了內(nèi)部園藝區(qū)

Liberty BioSecurity 首席醫(yī)療創(chuàng)新官何塞 · 莫雷博士(Jose Morey)說(shuō)，即使月球上的核電設(shè)施發(fā)生事故，也不會(huì)對(duì)地球構(gòu)成什么風(fēng)險(xiǎn)。這是因?yàn)榈厍蚴艿酱髿鈱拥谋Ｗo(hù)，阻擋了外層空間產(chǎn)生的致命輻射。他說(shuō)：“輻射的形式多種多樣，宇宙射線是其中傷害最強(qiáng)的一種，宇宙中充斥著這種輻射。其他形式的輻射也隨處可見(jiàn)。”

莫雷博士補(bǔ)充說(shuō)，有些表示有興趣參與的公司包括藍(lán)色起源公司和 BWXT。雖然這一努力還在起步階段，但它表明核能行業(yè)仍在探索新的領(lǐng)域。他表示：“核能一直是一種非常清潔、有效的能源。從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)看，這將是太空探索的關(guān)鍵。更重要的是，這對(duì)于人類(lèi)成為一種多行星物種至關(guān)重要。在發(fā)現(xiàn)下一種高效、清潔的能源之前，太空探索的新曙光將使核工業(yè)復(fù)蘇。“