微型堆助力太空探索

“核能”一词很容易让人联想到经典电影《钢铁侠》中的大型蒸汽塔或托尼·史塔克的电弧反应堆。最近，有两个西雅图初创公司正在设计足够小的核反应堆，使其更易携带运输。这正好与美国国防部的需求一拍即合，并获得收购，美国国防部希望能够为新一代的宇宙飞船提供燃料。

1、国防部支持

位于美国西雅图的雪崩能源公司(Avalanche Energy)和超安全核公司(Ultra Safe Nuclear Corporation)在5月份收到了五角大楼国防创新部门提供的资金，并且未披露金额数值，用于进一步开发两种不同的小型核能设计。

雪崩公司正处于核聚变的发展前沿，而超安全公司的目标是彻底改变核放射性同位素电池，就像那些为火星探测器供电的电池一样。

预计两家公司将在2027年前向五角大楼交付功能性原型装置。

“核能是一个有趣的领域，因为传统上这主要是在政府领域，”美国空军少校瑞恩·威德(Ryan Weed)说，他是国防部创新部门核推进和动力项目的项目经理。

该部门是五角大楼在硅谷的前哨，专门与私营企业合作，将新兴技术用于军事用途。

经过60年的材料科学研究，核燃料相对安全，正在被私营部门所接受。

气候危机的出现，也使公众舆论转向接受核能作为化石燃料的可行替代品。

2、探索聚变

华盛顿大学一个实验室的负责人、聚变研究员克里斯·汉森(Chris Hansen)说，计算机建模的巨大进步使核能的商业开发变得更加可行。

华盛顿州立大学杰克逊国际研究学院讲师斯科特·蒙哥马利(Scott Montgomery)说，华盛顿州与核研究的关系可以追溯到二战时期的汉福德基地，该基地为美国生产了大部分钚，汉福德基地无可否认地在该州培养了一种“核专业文化”。

如今，该州是商业核能初创公司的中心，尤其是试图破解小规模核聚变奥秘的公司。

与裂变不同，裂变通过分解铀等重放射性金属来产生能量。当两个较小的原子核碰撞形成不同元素的较大原子核时，就会发生聚变，并在碰撞过程中释放能量。

雪崩公司联合创始人布赖恩·里奥尔丹(Brian Riordan)喜欢将融合想象成试图将两个尼龙搭扣覆盖的磁铁球粘在一起。

“魔术贴的作用距离很短，但如果你能把它们靠得足够近，而且魔术贴很结实，它们就会粘在一起。”里奥尔丹说。

很难实现融合，因为就像尼龙搭扣覆盖的磁铁一样，带正电的离子自然会相互排斥，把它装在一个小容器里就更难了。

例如，35多个国家花费了数年时间和数十亿美元在法国南部建造了ITER托卡马克装置。这台机器要到2025年才能启动，至少要到2035年才能投入商业运营。

与此同时，西雅图的创业公司也开始在相关领域崭露头角。

3、雪崩公司

聚变工程最大的障碍——让机器产生的能量超过消耗的能量，但总部位于西雅图的Zap Energy公司上周宣布，预计在今年内有一个工作原型装置。

2021年，总部位于埃弗雷特的Helion Energy宣布将在埃弗雷特开始建造第一座商业核聚变反应堆，预计完工日期为2023年。

雪崩公司由前蓝色起源公司(Blue Origin)工程师赖尔登(Riordan)和罗宾·朗特里(Robin Langtry)共同创立，于2018年参加了聚变竞赛，并获得了一种新的午餐盒大小的聚变反应堆“Orbitron”专利

该装置将真空室中现有的两种仪器结合在一起，一种是“轨道捕捉器”，它在围绕带负电阴极的小轨道上利用带正电的离子，另一种是“磁控管”，产生电子流。将电子引入反应堆可以中和正电荷，并允许更多的离子进入该空间，而将更多的离子堆积到该小空间中会以指数方式增加聚变的机会。

该团队正在改进第一个原型装置，并计划在8月份扩大到更大的设备。

主要的工程挑战是使高压导体小型化，使其适合所需的封装，向阴极提供足够的能量，使离子以足够快的速度在轨道上融合在一起。

最终成品的功率应该是5~15千瓦，而且用户可以将许多装置组合在一起，以产生更大的功率。

国防创新单位项目经理威德说，这种设计尺寸很适合装备在太空设备中，这让雪崩公司在五角大楼的合同选择中脱颖而出。

4、Ember Core装置

雪崩公司试图开启小规模聚变，超安全公司正在开发一种新改进的“核电池”，称为Ember Core。这些装置本质上是热的放射性岩石，在衰变时稳定释放能量。

超安全公司高级技术部门的战略主管亚当·希尔法斯(Adam Schilfarth)说：“你可以将‘热岩’当成真的热岩来用，也可以将其中的能量进行转换，热量转化为电能。”

“好奇”号火星车(图源：网络)

美国宇航局(NASA)历来使用钚作为放射性同位素电池，例如为火星上的“好奇”号火星车，旅行者1号和2号的深空探测器，都是使用钚提供动力的电池。

然而，钚是一种昂贵、稀有和危险的物质。

超安全公司已经探索了不同的同位素，如钴-60和铥，这些同位素可以按比例生产10倍于传统钚系统的能量，同时更安全、更经济。

Ember Core推出的第一款超级安全装置只有苹果那么大。

Ember Core项目的首席工程师克里斯·莫里森(Chris Morrison)说，它就像月球登陆者的“暖手器”，可以在月球上度过14天的夜晚。五角大楼的最终原型要求将有一个小文件柜大小。

威德说，Ember Core和Orbitron的出现，使航天器能够飞得更远，并消除对太阳能电池板的依赖。凭借如此大的功率容量，这些技术还可能催生新一代航天器，轻松地在地球轨道间往返，为各种商业太空旅行、旅游和贸易创造各种可能。

威德说：“这些新的推进系统，将帮助我们完成已知的新任务，它将影响我们如何利用太空动力。这肯定会改变太空探索的发展规则。”