钚-238与α辐射的热发光的
外太阳系统是一个黑暗和孤独的地方 - 太阳能偏离距离太阳的距离越野,所以木星周围轨道上的宇宙飞船(来自地球的太阳的5.5倍)只接收大约3%太阳能作为一个轨道地球。太阳能电池板尽可能多地为MARS提供动态的航天器,但任何送到太阳系的外部到来的任何东西都需要找到一些其他电力来源。对于大多数航天器,这意味着使用钚 - 特别是同位素PU-238。根据一些最近的报告ReportsReports,我们可能会跑出来的钚这种特殊的味道。既然我们不能访问太阳能发电外太阳系和电池寿命有限,如果我们想要走过去的小行星带我们得去核与两种放射性同位素热电发生器(轮胎吊)或反应器。一种nd according to a NASA scientist (quoted in the story linked to above) we are running out of Pu-238 – if we don’t take steps to either replenish our stocks or to develop an alternative then our deep space exploration might grind to a halt. But before getting into that, let’s take a quick look at why Pu-238 is such a good power source.
与任何其他元素一样,钚具有许多同位素 - PU-239是一种足够稀有的核武器的裂缝,并且略重的版本(PU-240)也很好。当U-238捕获中子或两种 - 任何操作反应器产生它们时,这些较重的钚同位素均在核反应堆中产生,并且对于这些物质,这些钚同位素的裂变在任何核反应堆中产生显着的能量。PU-238也在反应器中产生,但通过稍微更加复杂的途径。底线是可用量的钚 - 可促进或非在反应器中产生。
pu - 238有价值的是,它很好地衰变,产生大量的能量衰减时,它有一个足够长的半衰期(仅略低于88年)持续了几十年,它发出一个高能粒子(对于那些有兴趣,阿尔法能源超过5.5兆电子伏)。
让我们看看这是怎么变成能量。钚-238有87.7年的半衰期和衰变常数的0.0079(PU-238原子,将在一年内衰减的分数的度量)。为了得到一个有点geekish,如果我们可以计算出在公斤的钚-238原子的数目,然后我们就可以乘上衰减常数原子数找出许多衰变会如何发生在给定时间内。甲公斤钚-238的具有大约2.5×1023.原子,乘以衰变常数,我们发现大约有2×1022.原子每年都在衰变;一年有关于3.1×107.秒因此这将得到约6.4×10的衰减率14.原子每一秒。并且由于每个衰变与它携带约5.5百万电子伏特(MeV)的注入,1公斤钚-238产生3.5×1015.每秒钟兆电子伏。做一些单位转换,产生的能量大约是550焦耳/秒,1 J/秒等于1瓦特,所以每千克Pu-238产生550瓦特的能量。一个5公斤重的RTG(就像驱动好奇罗孚在火星上)将产生近3千瓦的热能。这些热量足以使质量足够大的钚-238发出炽热的光芒;捕获后,它可以转化为电能,为航天器提供动力——从热能到电能的转换效率为5%,这10公斤Pu将产生约150瓦的电能。有更有效的将热转化为电的方法,但它们都有其局限性,或者说都是未经试验的技术。
这是钚-238的半衰期开始发挥作用 - 它会采取87.7年的50%的钚238(和电力生产下降一半),因此电源将仅约0.8%,在一年内下降.钚-238的半衰期很短,足以使一个愤怒的衰减率 - 足以产生运行飞船所需的功率 - 但足够长的时间持续达到冥王星(的目标所需要的十年新视野或在木星和土星的轨道上逗留(洛杉矶伽利略和卡西尼泳装)。没有PU-238的RTGS,我们无法探索超越小行星带。这就是为什么可以耗尽这种核素的股票如此警报adams。根据亚当斯的说法,美国宇航局已经推迟或取消了许多计划的外部太阳系,包括学习欧洲的使命,其海洋被认为是地球外面的居住党的候选人。能源部估计,每年支付2000万美元或更低的费用足以供应NASA的PU-238需求,但这金额并未进入。
太空计划是有争议的,一直备受争议的一个半世纪。一些谴责对阿波罗的支出,尽管事实上,它给了我们在另一个世界人类的第一步。航天飞机计划也受到批评,因为一些原因,正如国际空间站。和无人计划被批评为好。在大多数的这种批评的共同点是钱的问题 - 问为什么在世界上,我们应该花数十亿美元做一些事情,不提供任何实实在在的利益,我们这些在地球上。那些提出这一论点是那些谁也不愿意花(或废物,因为他们会把它)几千万美元,每年向电力航天器,可以帮助我们更多地了解我们的宇宙邻居。
经济的说法是很难反驳经济原因 - 有没有否认,土星的光环或土卫六的碳氢化合物海洋的特写照片都没有在家里喂这里一个饥饿的人。对于这个问题,甚至发现火星上(或欧洲)生活在这里不喂饱饥饿的地球上。But there has got to be more to life than simple economics – if not then there would be no need for art, for music, for sports, or for any of the other things we do when we’re not working, eating, sleeping, or attending to personal hygiene.
讨论“纯”科学的相对优点超出了这篇文章的范围(尽管我在一篇文章中讨论过它)之前的帖子在这个博客)。但我认为这是值得指出的是,公众表现出旅行者探测器,伽利略使命,卡西尼工艺的功勋一个真正的兴趣 - 更不用说火星探测,金星,和其他地方。I’d like to think that the deep space program is worth another few tens of millions of dollars a year for the entertainment value alone – especially given the vast sums that are spent on movies and TV shows that are watched by fewer people and that provide little in the way of enlightenment or uplifted spirits.
值得考虑的另一个点是美国宇航局的外部太阳系任务是十亿多美元任务,钚的成本是这一金额的一小部分。While not a major part of the nation’s economy, NASA programs employ a lot of people throughout the US to design and build the machines and the rockets that loft them into space, not to mention everyone who works to collect and analyze the data as it comes to Earth. That our deep-space capacity and those who keep it running might grind to a halt for lack of a few tens of millions of dollars of plutonium is a shame. The loss of everything else that goes along with our space program – the influx of new knowledge, the cool pictures, the sense of pride that we can send a working spacecraft so far and can keep it working so long, and the sense of wonder that comes from considering (even if only for a short time) our place in the universe – losing this for want of a little plutonium would be a crime.
《华盛顿邮报》休斯顿 - 我们需要一些钚出现在科学版, FAS的博客,征求嘉宾专家和领导的意见。