听众问答35：宇宙科技发展缓慢的瓶颈到底在哪里？
科学有故事·听众问答
本系列内容来自音频专辑《汪诘：科学有故事》中的“听众问答”，定期答复听友们提出的各种与科学有关的问题。收听音频可至喜马拉雅、网易云音乐、蜻蜓等各大网络电台。
汪诘
科学有故事
听众“脑子停不下来”说听了吴老师在4.29绍兴演讲会的关于人类航天梦的演讲，感觉很激动，但同时也觉得有点儿沮丧，为什么呢？因为人类1969 年就登月了，可是都快过去半个世纪了，马斯克发了一个性能还不如五十年前的土星5 号的猎鹰9号重型火箭，大家都激动的不行，人类的宇航技术发展的怎么这么慢，与日新月异的信息技术完全不好比。他想问问我，为啥人类的宇航技术进展的如此缓慢，最大的难点到底在哪里？
图：历史性的登月时刻
我想告诉这位听众，决定某一个领域技术发展的快慢绝不仅仅是一个科学问题，还包含了复杂的政治和经济问题。上世纪六十年代的“阿波罗计划”是在美苏冷战的大背景下，美国举全国之力的产物。有人打比方说，以当时的技术，登月就好像用帆船横渡太平洋。我们可以用一组数字来说明美国当年为了登月耗费的国力，1965 年，在阿波罗计划上的花费占到了美国全部 GDP 总量的 0.8%，而 2016 年美国给NASA 的总预算只占GDP 总量的 0.1%,差了八倍。为了登月，美国动员了全国上百家大学、科研机构和企业，2 万多名科学家和 40 多万人在为登月服务。这种盛况在现在这样的和平年代，是不可能重现的。
可能你经常会听到别人说，半个世纪以来，人类的宇航技术并没有得到根本性的提升。但你更想了解的可能是到底什么才算是本质的提升。我可以给你一个答案，那就是人类在宇航中使用能量的方式，这是一个最为重要的标志。这有点像衡量宇宙中所有文明等级的卡尔达舍夫等级，用智慧文明能利用的能量等级来划分文明的等级。
图：苏联天文学家卡尔达舍夫
这半个多世纪以来，人类宇航中使用的能量的方式主要有三种——给火箭提供动力的是化学能（这种能量的利用效率是很低的），维持各种仪器工作的能量主要来自太阳能和放射性同位素电池。这三种能量利用的方式都已经是半个世纪之前就有的技术，到今天，依然没有什么变化。
要想在宇航技术中实现质的突破，人类就必须掌握在宇航中利用核能的技术，也就是制造出小型可控核反应堆。这里插一句，放射性同位素电池虽然利用的也是核能，但它利用的实际上只是天然放射性释放出来的能量，与原子弹、核电站这种人工激发裂变还是有很大区别的。核能有两种方式可以利用，一种是裂变反应，就像原子弹那样；一种是聚变反应，就像氢弹那样。而可控的核聚变反应即便是要应用于商业发电目前都还看不到希望，更不要说要小型化到能用于宇航了。现在能看到希望的就是小型化的核裂变反应堆，这个技术一旦突破并成熟，人类的宇航技术又将迈上新的台阶。
2018年的5月15日，在《科学美国人》上刊登了一篇文章，标题是《NASA将利用核装置重回月球吗？》，这篇文章对美国现在的小型核反应堆的技术做了比较详细的报道。
NASA 在这个领域已经努力了半个世纪，希望建造出能在太空使用的核电站。最近，它刚刚成功测试了一个全新的设计，被叫做“千瓦动力（Kilopower）”，它很可能成为小型核反应堆的新里程碑，有可能在未来五到十年内完成首次太空飞行。千瓦动力是由NASA和美国能源部共同开发的，是近四十年来美国唯一的全新的核反应堆。它有可能会给人类的宇航技术带来革命性的变化。
图：千瓦动力概念图
在太空探索中，核能主要有两大用途，分别是供电和助推。目前的千瓦动力装置主要用于供电，足够满足一艘大型飞船所需要的电力。在未来，千瓦动力可能也会被用于助推太空飞船，主要通过给离子发动机供电的方式来实现，但NASA目前关于这项使用还没有确切的计划。
我们来了解一下千瓦动力装置的原理：它是一个微型的核反应堆，用一根硼控制棒插入一堆铀中，进行可控的核裂变反应，释放热量，转换为电能。
NASA目前的这个装置可以产生高达 10 千瓦的电力。如果有四个这样的装置，就足够一个火星或月球上的人类前哨站使用。这些电量差不多就是 3-8 户普通的美国家庭的用电量。
实际上，NASA 研制太空核电站的历史已经很悠久了。千瓦动力是从 2012 年开始研发的，它的前身是 NASA 上世纪六十年代的核辅助能源项目，被简称为SNAP。
1965 年 4 月，NASA 发射过一个名为 SNAP-10A 的核电站。它在太空中工作了 43 天，产生了 500 瓦的电力，然后一个零件坏了，戛然而止。它现在仍然在地球轨道上，不过被看作是太空垃圾了。
在二十世纪六七十年代，NASA 还有一个“用于火箭发动机的核动力引擎”（NERVA）的项目，用来研究将核能用于助推火箭。这个项目使用核反应堆来加热氢气，并通过排气口排出氢气，就像化学火箭燃烧燃料来推动火箭一样。但这个项目在 1973 年就结束了。
图：NERVA 引擎的设计图
根据世界核协会的统计，俄罗斯在太空中运行了 30 多个核反应堆。康涅狄格大学研究核能的工程学教授布鲁诺说，在尼克松总统 1973 年取消了NASA的核动能助推研究后，俄罗斯也不再进行这项研究了。从 1973 年起，所有事情基本上都停滞不前了，到了 2018 年，当时在这个领域工作的人基本都退休或去世了。
2012年美国启动千瓦动力项目，最新一次 NASA 和能源部的测试从2017年11 月开始，持续到2018年的3月。这项测试被称为“使用斯特林技术的千瓦级反应堆（KRUSTY）”。千瓦动力首席工程师马克·吉布森表示，这次测试是在 800 摄氏度的环境下进行的，测试地点是在 NASA 的格伦研究中心，千瓦动力产生了超过 4 千瓦的电。
NASA 和能源部的官员表示，由于运行方式的升级，千瓦动力比之前几代都来的更安全。使用硼控制棒和铍反射器，裂变链式反应能被控制，甚至可以停下。只有在反应堆远离地球以后，原子的分裂才会开始。这个项目的负责人是美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室的帕特里克·麦克卢尔，他说，这个反应堆很安全，哪怕反应堆或搭载它的火箭在发射台上爆炸了，它们中心位置的铀235并不会置人于死地，一公里范围内的人们接触到的辐射水平并不会比自然环境中的高。
洛斯阿拉莫斯国家实验室的首席反应堆设计师戴维·波斯顿表示，一个类似的反应堆可以为离子推进器提供动力，这样就可以助推火箭了，不过这还只是停留在理论上。NASA 目前正在另外开发一种全新的基于铀的核热引擎概念，它的工作方式将和现有的化学火箭十分类似，都是加速推进器后端的燃料。但 2017 年 8 月开始的“核能热力推进”项目和千瓦动力相比，只是刚刚开了个头。
图：在外星球部署千瓦动力核电系统的概念图
千瓦动力是向在太空中应用核电站这个目标迈出的重要一步。下一步很可能就是在太空中测试反应堆了。NASA 目前还没有批准这样的测试计划。但NASA 太空科技副行政官路特在2018 年 5 月早些时候的一次新闻发布会上说，研究人员将在未来的一年半中，专心致志地研究出如何实现这样的测试飞行的方法。一个可能的方法是在月球着陆器上搭载一个小型的千瓦动力反应堆。NASA 把研究重点重新聚焦在月球上后，相关的探索任务可能会开发这样的着陆器。
可以说，目前的千瓦动力项目还处在非常初级的阶段，但最激动人心的是它的潜力。它只是在太空中使用核裂变能源的第一步，当人类终于能够在太空中大规模地有效利用核能了，那么宇航的新时代也就到来了。
感谢收听今天的听众问答。我还请我的助理小编给大家汉化了一个视频，是洛斯阿拉莫斯国家实验室发布的，详细介绍了千瓦动力在太空中发电的原理。这个视频的发布时期是 2018 年 1 月，新鲜出炉哦。
最后附上《科学美国人》这篇文章的全文，这也是我的助理小编辛辛苦苦翻译出来的。
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NASA 将利用核装置重回月球吗
一项新的核反应堆设计可以使核能驱动的太空探索既便宜又安全可靠
丽贝卡·波伊尔
2018.5.15
如果一切都按照计划顺利展开，那么未来十年的某个时间点上，一台来自美国的机器人着陆器将抵达月球上一座新兴的基地，这台着陆器上装载了一个小型的核反应堆。在反应堆内部，一根硼控制棒将滑入一堆铀中，开始核链反应，分裂铀原子并释放热量。接着，这些热量将被传输到发电机。然后，灯会亮起，即使在漫长而又阴冷的月夜，灯光依旧。
NASA 在这个领域已经努力了半个世纪，希望建造出能在太空使用的核电站。最近，它刚刚成功测试了这个全新的设计。接下去会成为反应堆新里程碑的这一装置，被称为“千瓦动力（Kilopower）”，它有可能在未来五到十年内完成首次太空飞行。千瓦动力是由NASA和美国能源部共同开发的，是近四十年来美国唯一的全新的核反应堆。它可以对太空探索的能源生产进行变革，人们如果要永久驻扎在太阳系里边远的位置，尤其需要这项变革。
现在的太空任务使用的是燃料电池、核电池或太阳能。但是在月球上，黑夜会持续两周。而在火星上，太阳光的强度只有地球上的 40%。NASA 太空科技副行政官吉姆·路特表示，当我们去往月球，并最终去到火星上时，我们很可能不能依赖于太阳的大型能源，尤其是当我们想要在那片土地上生活的时候。
千瓦动力是一种小型的轻质裂变反应堆，可以提供高达 10 千瓦的电力。NASA 表示四个十千瓦的千瓦动力组提供的电力足够一个火星或月球上的人类前哨站使用。康涅狄格大学研究核能的工程学教授克劳迪奥·布鲁诺做了个比较，同样的电力（40千瓦）足够给3-8 户普通的美国家庭供电。他还补充说，40千瓦将大致等于60 马力，你可能有个感觉，这些电力并不多，事实上也确实如此。如果你想做任何要紧的事，当然还得考虑到去往月球或火星的任务是集体作业，你需要的电力比这个数字大得多。即便如此，以往每次进行这些研究时，都充斥着对核能安全的长吁短叹，人们尤其担心核电可能会致命。这是几十年来第一次，人们谈论起了用核反应堆为发电机供电，这是第一个积极的信号。
在太空探索中，核能主要有两大用途，分别是供电和助推。千瓦动力将被用于供电，很像是地球上的发电厂。它产生的电量将超过一艘太空飞船所需要的量，这使它更适合用于大型的太空前哨站。千瓦动力可能也会被用于助推太空飞船，主要通过给离子引擎供电的方式来实现，但NASA目前关于这项使用还没有确切的计划。
千瓦动力是从2012 年开始研发的，但它的前任大有来头，是 NASA 上世纪六十年代的核辅助能源（SNAP）项目。
SNAP 项目开发了两种类型的核能系统。第一种是放射性同位素热电发电机（RTG），这种装置从放射性衰变中获取热量来供电。数十个深空航天器都使用了 RTG，包括登陆火星的好奇号探测车和新视野号冥王星探测器，后者目前正在探测外太阳系的矮行星。SNAP 项目开发的第二种核能系统是用于裂变反应堆的，通过分裂原子来产生能源。给核潜艇提供动力使用的也是相同类型的技术。1965 年 4 月，NASA 发射过一个名为SNAP-10A 的核电站。它在太空中工作了 43 天，产生了 500 瓦的电力，然后一个零件坏了，戛然而止。它现在仍然在地球轨道上，不过被看作是太空垃圾了。
在二十世纪六七十年代，NASA 还有一个“用于火箭发动机的核动力引擎”（NERVA）的项目，用来研究将核能用于助推火箭。这个项目使用核反应堆来加热氢气，并通过排气口排出氢气，就像化学火箭燃烧燃料来推动火箭一样。但这个项目在 1973 年就结束了。
根据世界核协会的统计，俄罗斯在太空中运行了 30 多个核反应堆。布鲁诺说，在尼克松总统 1973 年取消了NASA的核动能助推研究后，俄罗斯也不再进行这项研究了。从 73 年起，所有事情基本上都停滞不前了，到了 2018 年，当时在这个领域工作的人基本都退休或去世了。我们没有他们当时工作的第一手信息。当然，我们有报告，但报告不会和你说话，只有人能口口相授。
项目的解冻是在2012 年。当时 NASA 和美国能源部进行了一次测试，测试对象是千瓦动力的前身，测试名为“使用平顶裂变来验证”（DUFF），测试结果是产生了24 瓦的电力。DUFF 使用热管来冷却反应堆，并第一次证明了使用斯特林发动机能将反应堆的热量转化为电力。（斯特林发动机使用外部热量来驱动活塞，从而使曲轴产生电力。）在 DUFF 测试之后，NASA 的“改变游戏规则的发展项目”钦点了千瓦动力作为研究对象，这个项目在 2014 年收到了第一笔资金。
最新一次 NASA 和能源部的测试从2017年11 月就开始了，持续到了2018年的3月。这项测试被称为“使用斯特林技术的千瓦级反应堆（KRUSTY）”，和 DUFF 一样，起这个名字是为了向“辛普森一家”致敬。测试中，研究人员将千瓦动力反应堆开启，开启后千瓦动力全负荷运行，然后冷却并关闭，按照它的速率最多能运行 28 个小时。千瓦动力首席工程师马克·吉布森表示，这次测试是在 800 摄氏度的环境下进行的，测试地点是在 NASA 的格伦研究中心，千瓦动力产生了超过 4 千瓦的电。
NASA 和能源部的官员表示，由于运行方式的升级，千瓦动力比之前几代都来的更安全。使用硼控制棒和铍反射器，裂变链式反应能被控制，甚至可以停下。只有在反应堆远离地球以后，原子的分裂才会开始。根据能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室千瓦动力项目负责人帕特里克·麦克卢尔的说法，如果反应堆或搭载它的火箭在发射台上爆炸了，它们中心位置的铀235并不会置人于死地，一公里范围内的人们接触到的辐射水平并不会比自然环境中的高。麦克卢尔说，即使坏运气一个接着一个，全是最极端的情况，我们也确信，发射事故就算产生，反应堆也不会发生泄漏。
洛斯阿拉莫斯国家实验室的首席反应堆设计师戴维·波斯顿表示，一个类似的反应堆可以为离子推进器提供动力，这样就可以助推火箭了。但波斯顿也说，开始链式反应所需要的材料可能导致反应堆太大或太重，无法在现实场景中应用。NASA 目前正在另外开发一种全新的基于铀的核热引擎概念，它的工作方式将和现有的化学火箭十分类似，都是加速推进器后端的燃料。但 2017 年 8 月开始的“核能热力推进”项目和千瓦动力的进度相比，只是刚刚开了个头。
大多数核动力航天器使用的都是放射性同位素热电发电机（RTG），RTG 会直接利用钚衰变产生的热量来发电。但 RTG 的效率十分低下。此外，二氧化钚的燃料供应不足。美国能源部时隔三十年后，于 2015 年恢复了钚 238 的燃料生产。但现有的储量少得可怜，只够给 NASA 2020 年的火星探测器以及其他一两个外太阳系的任务供电。
千瓦动力则可以作为替代方案，但官员和专家都警告说，用上这个替代方案的概率非常高。吉布森表示，从能源的角度出发，我们可以说就是从 RTG 停下的地方重新开始的。RTG 停了，我们却不能停，我们需要为人类探索这样的事业供电，需要的电量可能是几万到几十万瓦。这么算起来，人类在月球或火星上的活动需要的电量比一个或几个简单的千瓦动力反应堆能产生的电量要高出十倍甚至上百倍。不过别担心，波斯顿说，千瓦动力的模块化设计可以轻松地实现扩展，来满足这些需求。
布鲁诺则表示，千瓦动力是向在太空中应用核电站这个目标迈出的重要一步。下一步很可能就是在太空中测试反应堆了。NASA 目前还没有批准这样的测试计划。但路特在2018 年 5 月早些时候的一次新闻发布会上说，研究人员将在未来的一年半中，专心致志地研究出如何实现这样的测试飞行的方法。一个可能的方法是在月球着陆器上搭载一个小型的千瓦动力反应堆。NASA 把研究重点重新聚焦在月球上后，相关的探索任务可能会开发这样的着陆器。
波斯顿说，成功的地面测试迈出了人类太空探索下一阶段的重要一步。我们已经验证了一个 NASA 可以马上使用的概念。对我来说，最激动人心的是它的潜力。这真的只是在太空中使用裂变能源的第一步。
作者简介
丽贝卡·波伊尔
丽贝卡·波伊尔是一位屡获殊荣的自由撰稿记者。她现居于美国密苏里州的圣路易斯市。她是《大西洋》杂志的撰稿人。同时，她的作品经常出现在《新科学家》、《连线》、《大众科学》等知名刊物上，也被收录入《美国人最佳科学与自然写作》系列。
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