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)組合負責(zé)人安東尼 · 卡洛米諾 (Anthony Calomino)表示，該計劃是在本世紀 20 年代末之前開發(fā) 10 千瓦級的核裂變動力系統(tǒng)，在月球上進行演示。NASA 將在地球上進行制造組裝，然后進行安全測試，以確保其正常運行。

該核裂變動力系統(tǒng)將與月球著陸器結(jié)合，然后被運載火箭送到繞月軌道上。著陸器會將該系統(tǒng)送到月球表面，并可以立即運行，不需要額外的組裝。這次演示預(yù)計將持續(xù)一年時間，最終可能支持在月球、火星、甚至在更遙遠的太空進行更長時間的任務(wù)。

卡洛米諾說：“一旦這項技術(shù)通過演示得到認證，未來的系統(tǒng)就可以擴大規(guī)模，或者多個裝置可以共同用于月球和火星的長期任務(wù)。四個機組，每個機組提供 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、建立人類前哨基地和就地利用資源成為可能，同時也為商業(yè)化提供了機會。”

NASA 正在與核研究機構(gòu)愛達荷州國家實驗室 (INL)合作。但這個計劃現(xiàn)實嗎?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)認為完全可行。他說：“我們能夠利用多年來在先進燃料和材料方面的研發(fā)成果，以及最近的太空商業(yè)化運輸?shù)倪M展來降低延遲完工的風(fēng)險，以實現(xiàn) 2026 年的預(yù)定目標。”

核電站將如何運作?

卡洛米諾說，確保這個項目成功的關(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力。小型核反應(yīng)堆會產(chǎn)生熱量，這些熱量會通過電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變?yōu)殡娔埽?jīng)調(diào)節(jié)后分配給月球和火星表面的用戶設(shè)備。散熱技術(shù)對于保持設(shè)備正常運行的溫度也很重要。”

約翰遜稱，除了過去幾十年的研發(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 年的目標成為可能。他說：“我們可以利用國家實驗室現(xiàn)有的設(shè)施和技術(shù)專長來支持這一重要方案，以實現(xiàn)最終目標。在 INL，我們支持未來幾個月的行業(yè)和伙伴的努力，以設(shè)計這個演示反應(yīng)堆，將航空航天、核能和電力公司聯(lián)合起來，共同實現(xiàn)里程碑式的成就。”

圖：SpaceIL 的 Beresheet 探測器在軌道上拍攝的月球照片

卡洛米諾說，NASA 已經(jīng)與美國能源部合作，他們將共同制定任務(wù)和系統(tǒng)要求。INL 將管理核裂變動力系統(tǒng)的研發(fā)合同，包括反應(yīng)堆和防護系統(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：“核裂變動力系統(tǒng)將以每年提供 10 千瓦電力的能力運行 10 年左右。”他補充說，10 千瓦電力大致相當(dāng)于為 3 到 4 個大家庭供電。

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

雖然卡洛米諾沒有透露這些公司的名字，但他稱這些公司在制造核反應(yīng)堆、開發(fā)航天技術(shù)以及制造業(yè)擁有豐富經(jīng)驗，而這些行業(yè)正是這個特殊項目所需的專門設(shè)備行業(yè)。他補充說，NASA 和美國能源部計劃在 2021 年初發(fā)布初步設(shè)計合同建議書，特別是與核裂變有關(guān)的建議書。未來的合同授予價值仍有待確定。

卡洛米諾說：“政府計劃授予多個短期合同，以開發(fā)初步設(shè)計，然后再授予最終飛行硬件開發(fā)的大合同。”該項目預(yù)計各公司將組建專門團隊，開發(fā)動力系統(tǒng)所需的所有技術(shù)。這個項目非常復(fù)雜，因為它需要整合不同的工程技能。畢竟，專門從事核反應(yīng)堆開發(fā)的公司，可能沒有開發(fā)航天設(shè)備或電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的企業(yè)知識或經(jīng)驗。”此外，可能還需要其他專門的通信設(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，在月球上建造核反應(yīng)堆的想法可能不同尋常，甚至覺得極其危險。就業(yè)機構(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題。

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

但環(huán)保企業(yè)的盈利和營銷顧問謝爾 · 霍洛維茨 (Shel Horowitz)表示，在月球上建造核電站將是徒勞的，而且完全沒有必要。 他說：“隨著太陽能、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，再加上我們通過節(jié)約能源實現(xiàn)的效率不斷提高，沒有理由建立耗時、昂貴且令人擔(dān)憂的核電站。沒有它，我們也可以滿足能源需求。”

作為回應(yīng)，卡洛米諾說，這個項目很可能需要使用霍洛維茨引用的諸多可再生能源。未來執(zhí)行的其他任務(wù)可能也需要它們，但在太空運行的挑戰(zhàn)是獨特的，這可能會使利用可再生能源變得不切實際。

他說：“這些任務(wù)可能需要各種各樣的太陽能、電池、放射性同位素以及核裂變動力系統(tǒng)，以滿足廣泛的苛刻要求。在太陽能、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，太陽的能量在不同季節(jié)變化很大，沙塵暴可能會持續(xù)幾個月。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有陽光。在這些具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，利用陽光發(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，還有其他因素需要考慮。他問道：“當(dāng)出問題時，尤其是緊急問題，我們將如何解決?”

梅林克建議 NASA 使用太陽能光伏發(fā)電，他說這種技術(shù)已經(jīng)被用于太空發(fā)電，并稱這是個更實用的解決方案。梅林克表示：“在過去的 10 年里，太陽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。隨著時間推移，太陽能是確保冗余性和可擴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)。該項目仍需通過國家環(huán)境政策法案的審批程序，其中包括評估該項目的環(huán)境影響，動力系統(tǒng)的設(shè)計將使核燃料在到達月球表面之前不會被激活。卡洛米諾說：“與地面反應(yīng)堆不同的是，太空沒有移除或更換核燃料的打算。”

卡洛米諾說，在其為期 10 年的任務(wù)結(jié)束時，還有一項安全退役該設(shè)施的計劃。他表示：“在任務(wù)結(jié)束時，系統(tǒng)將關(guān)閉，輻射水平將逐漸降低到人類接觸和處理的安全水平。使用過的系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)移到一個遠程存儲位置，在那里它們不會對宇航員或環(huán)境構(gòu)成任何威脅。”

圖：藝術(shù)家對人類火星基地的構(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，即使月球上的核電設(shè)施發(fā)生事故，也不會對地球構(gòu)成什么風(fēng)險。這是因為地球受到大氣層的保護，阻擋了外層空間產(chǎn)生的致命輻射。他說：“輻射的形式多種多樣，宇宙射線是其中傷害最強的一種，宇宙中充斥著這種輻射。其他形式的輻射也隨處可見。”

莫雷博士補充說，有些表示有興趣參與的公司包括藍色起源公司和 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)實角度來看，這將是太空探索的關(guān)鍵。更重要的是，這對于人類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。“