Can Nuclear Voltaic Power Get Us to the Stars? Or at least Mars?

如何在太空中解决能源问题？

太空飞行中的能源挑战

• 在太空行业，能源是一个重大问题，即使SpaceX能够将人类送往火星，如何为在太阳能较少的火星殖民地提供电力仍然是个难题。

• 核能被认为是解决方案之一，目前正在研究核聚变反应堆，但这些技术尚未成熟。MIT的spark反应堆接近实用，而创新的自旋反应堆也可能很快实现。

能量密度与推进系统

• 能量密度以焦耳每千克（J/kg）来衡量，举例来说，一个普通电池每天可以产生约15焦耳的能量。

• 质量和重量的单位不同，千克是质量单位，而磅是重量单位。我们通过乘以地球重力来计算物体的重量。

火箭推进原理

• 火箭推力与燃料消耗之间存在关系，通过将推力除以排气速度，可以计算出每秒消耗多少燃料。

• 工作和能量都可以用焦耳来测量，它们表示从一种形式转移或转换到另一种形式的能力。

能源类型及其应用

• 能源有多种形式，包括动能、势能、热能、化学能和电能。电能被认为是人类发现的最有用的一种。

• 电热火箭发动机利用电池或太阳能供电，将推进剂加热或离子化以产生推力，与使用磁场或电场的离子发动机不同。

新型推进技术

• 可变比冲火箭发动机（VASER）由前宇航员Dr. Chang-Diaz设计，可以将气体转化为等离子体并通过电磁场控制。

• 一些公司如ThrustMe利用水蒸气作为反作用控制系统（RCS），尽管其比冲不高，但精确性更重要。

未来展望：自充电电池

电池技术的未来：β伏特电池

β伏特电池的基本概念

• 100 Beta Volt公司研究先进的β伏特电池已有十多年，BV 100型号尺寸为15x15x5毫米，能够在3伏下产生100微瓦的功率。

• 该设备使用镍63的放射性同位素，通过中子转变为质子并释放高速电子，这些电子可以通过掺杂金刚石层和其他材料收集。

效率与潜力

• 所有β伏特电池的效率受限于Shackle-Kier极限，但可以通过多层串联电池优化至约33.9%的效率。

• 中国制造商Long Ey在2023年达到了这一效率，并正在研究其他同位素如锶90和铕147作为β源。

核能应用前景

• 提出将飞船结构本身用碳14纤维或镍63制成，以提高能量密度和辐射保护。

• SpaceX星际飞船干重约占其推进剂质量的10%，可提升150吨至低轨道。

能量密度与发电能力

• 假设飞船结构质量为7500公斤，利用β伏特电池可实现每公斤1兆瓦时的能量输出，总计7.5 GWh。

• 核能电池不同于常规电池，可自我充电，通过β衰变释放能量。

太空探索的新可能性

• 利用75 MW的持续功率，可以构建强大的磁场屏障以抵御银河辐射，并推动高效离子和热电推进器。

• 这种飞船能够在40天内从地球或月球轨道到达火星，或发送无人探测器穿越星际空间。

核反应堆与放射性废物管理

英国核反应堆历史

• 自1940年代以来，英国运行了许多核反应堆用于研究、军事目的及发电，这些反应堆均使用铀作为燃料。

放射性废物问题

• 核能发电不可避免地产生放射性废物，因此关闭任何反应堆后必须安全存储这些废物，处理过程需数千年至数百万年。

石墨块中的碳14处理

• 英国因使用石墨调节反应堆而产生近95,000吨放射性污染石墨块，其中部分碳被转化为放射性同位素碳14。

碳14去除技术进展

• 布里斯托大学科学家展示了通过加热去除石墨块表面浓缩的放射性碳14的方法，大部分会以气体形式释放并收集。

人造钻石与能源生成

核能钻石电池的创新

核能钻石电池的工作原理

• 在放射性场中，钻石由放射性碳制成，能够自我提供能量以产生小电流，从而形成核能驱动的钻石电池。

• 通过在放射性钻石外部形成非放射性层，完全吸收危险辐射并将其转化为更多电力，使其接近100%效率。

• 外部仅可检测到微量辐射，低于单个香蕉所发出的辐射，因此处理起来非常安全。

钻石电池的应用前景

• 钻石电池适合用于无法充电或更换传统电池的情况，如卫星、太空探索和植入设备（如心脏起搏器）。

• 该技术解决了核废料、清洁发电和电池寿命等问题，标志着我们进入“钻石时代”的能源生产。

推进引擎的发展

VASIMR引擎介绍

• Dr. Mark Carter介绍了VASIMR引擎，这是一个变推力磁等离子体火箭项目，其概念已有很长历史。

• 该引擎是目前最先进的高功率电动火箭，可以扩展到多兆瓦级别，以满足更高功率需求。

技术优势与应用

• 引擎设计无电极，通过电磁耦合加速离子，不需要分离电子和离子，这样可以提高效率。

• 使用惰性气体作为推进剂，例如氩气，因为它们在地球和火星上相对丰富，并且提供良好的比冲性能。

能源来源与效率

• 引擎利用自然共振模式来优化性能，可以使用任何类型的直流输入，包括太阳能或核能。

超导磁体的进展与应用

超导磁体的成本与设计

• 超导磁体材料已经取得了显著进展，价格下降使其在市场上具有竞争力。

• 计划尽快获得资金以推进超导磁体的建设，这是下一步的重要目标。

等离子体模拟实验

• 从2007年开始，NASA进行了一系列高性能计算和等离子体波动传播的模拟实验。

• 通过使用应变计测量等离子体中的实际力，以获取空间分辨率。

实验室设备与挑战

• 实验室内的真空腔是通过私人资金购买的，展示了团队成员在系统上的工作。

• 控制超导磁体电流的控制台运行约40安培的小线圈，显示出技术的复杂性。

系统运行与问题解决

• 已完成100小时、100千瓦操作，但由于设施问题未能连续进行。

• 在50千瓦稳态下运行时遇到小泄漏问题，这对100千瓦操作造成影响。

私人投资与未来发展

• 项目接近开发阶段（tier4），并希望获得更多私人投资以支持进一步测试。

航天合作与技术发展

航天合作的下一步

• 与NASA的合作是未来发展的关键，期待继续推进。

• 正在与加拿大的一家小公司合作，借助加拿大航天局开发具有工业应用的PPUs（电源处理单元）。

TRL 6及飞行测试准备

• TRL 6阶段意味着开始进行飞行测试，诺斯罗普·格鲁曼正在协助进行飞行演示提案。

• 计划使用太阳能和电池储能系统，以达到150千瓦的测试水平。

太阳能阵列与空间站再提升

• 尽管太阳能阵列成本较高，但已有可用的解决方案，例如Orbital ATK提供的阵列。

• 空间站需要定期提升，目前依赖俄罗斯提供推进剂，希望通过新系统减少这方面的开支。

深空任务中的动力需求

• 对于任何空间站而言，都需要有效控制其轨道，尤其是在低地球轨道中。

• 电动推进相比化学推进在轨道变换等操作上更为简单，有助于卫星服务等应用。

深空探索与人类运输

• 针对小行星采矿和快速人类运输的发展需求，需要高效、可重复使用的架构。

• 化学火箭在深空任务中的比冲过低，不适合长途旅行，如前往火星。

可重复使用性的重要性

• 为了实现可持续发展，必须确保发射系统具备可重复使用性，以降低成本。

• 提议采用转移轨道拖船，将有效载荷送至月球或火星，并能够多次回收利用。

能源供应与效率比较

• 200千瓦太阳能阵列在10年内可以提供约60太瓦时的能源，与5000吨化学燃料相当。

• 核能密度远高于化学燃料，但需确保系统具备可重复使用性以降低整体成本。

人类前往火星面临的挑战

• 在前往火星过程中，需要考虑风险承受能力以及任务组装复杂性。

如何应对太空旅行中的辐射和重力问题

辐射屏蔽的挑战

• 在太空中，辐射屏蔽非常困难，需要大量的质量来抵御这种辐射，但这并不理想，因此时间是关键。

• 长时间在太空中（超过六个月）会导致健康问题，例如宇航员在国际空间站待了六个月后，恢复正常活动需要几个月。

重力影响与健康

• 火星的重力较低，但长时间的失重状态仍然会对身体造成负面影响，因此快速到达火星并保持健康至关重要。

宇航员的回归计划

• 大多数宇航员希望能够返回地球，而不是单程旅行，因此必须规划好往返方案。

• 可以在出发时整合所有返回所需设备，这样可以降低风险，并确保在离开之前进行测试。

返回推进剂的预置策略

• 可以选择将返回推进剂预置于火星轨道或现场制造，但这需要提前运送大量货物，增加了组装时的风险。

• 需要建立足够的基础设施，以支持机器人组装和控制系统。

NASA 的栖息地设计参考架构

• NASA 已经制定了一个适合人类居住六个月的栖息地设计，该栖息地大约重65吨，提供足够空间以避免人员之间过度拥挤。

推进选项与技术评估

• 讨论了不同类型推进系统，包括液氢发动机和核热推进系统，它们具有不同的比冲值（ISP）。

• 核电推进系统可提供更高比冲值（2000秒至6000秒），而太阳能可能不足以支持载人任务。

快速前往火星的重要性

• 不同推进方式对燃料需求有显著差异，核电和气动捕获技术使用更少燃料，有助于实现快速旅行。

核电推进技术的探讨

核电推进的优势与挑战

• 核电推进（Nuclear Electric Propulsion）相较于核热推进（Nuclear Thermal Propulsion）在速度上略有优势，尤其是在5公里每秒的箭头捕获情况下。

• 核电推进提供了更高的比冲（ISP），使得火箭方程中的指数关系得到优化，从而提高航天器的效率。

• 实现4公斤每千瓦的目标虽然困难，但一些专家认为这是可行的，且对电动推进有显著益处。

• 通过风险优化和重量评估，可以发现使用核电推进前往火星是有利可图的，尽管需要额外发射来支持这一计划。

• 优化后的功率需求并不如预期那样庞大，100到200兆瓦热反应堆可以有效地用于核电推进。

技术实施与基础设施建设

• 20%的转化效率意味着同一反应堆可以同时用于多种用途，而不是仅限于一种类型，这样可以降低成本。

• 使用分级货物运输技术（SEP）能够显著降低前往月球和火星的成本，并且每年能向火星运送约30吨货物。

• 核热推进是实现快速航行的重要技术，结合箭头捕获可以进一步提升其效率，但实施难度较大，需要大量基础设施支持。

• 在进行燃料预置时，需要建立完善的基础设施，以便顺利开展相关工作，这对于未来任务至关重要。

• 太阳能电力货物运输被视为启动项目的重要方向，应优先考虑。

结论与展望