电能耗尽后 它们依然会飞向星辰大海

文/ 李会超

在太阳光暗弱的外太阳系飞行，依靠太阳能电池板供电显然不是一个好主意。两艘“旅行者号”上的电能，都来自于同位素热电池（RTG）。这种电池的能量来源不是阳光，而是同位素衰变释放的能量。然而，随着时间的推移，同位素热电池中的同位素燃料将逐渐消耗，而旅行者1号和2号在穿过日球层顶后，估计也将在2020年左右耗尽电能，与地球中断联系。

旅行者号电能来源于RTG

▲ 联盟TMA-7宇宙飞船上的太阳能电池帆板

稳定而充足的电能供应是航天器正常工作的基本条件。早期的航天器，大都使用化学电池作为电能来源。这些化学电池的基本原理和我们日常生活中使用的干电池、手机电池等基本一致，能够持续供电的时间不长。当电池的电能耗尽时，由于无处充电，航天器便不得不停止工作。现如今的航天器，不少在轨道上工作时都会伸展出一个形似翅膀的装置。比如我们熟知的神舟飞船，在尾部的推进舱上就有一对这样的“翅膀”。航天器的这个“翅膀”是太阳能电池帆板，它的作用并不是用来飞行，而是用来将太阳能转化成电能。随着太阳能技术的不断进步，太阳能帆板的供电效率越来越高，已经成为了在地球附近工作的航天器的主要电能来源。此外，也有一些需要大功率稳定供电的航天器，使用氢燃料电池作为电能的来源。它们中最典型的代表是执行登月任务的“阿波罗”飞船。

虽然太阳能取之不尽、用之不竭，但对于“旅行者号”这样飞向深空的探测器，随着与太阳距离的增加，太阳光会越来越暗弱，太阳能电池板所能产生的电能也就越来越小。因此，这种探测器一般选择RTG作为电能的来源。

其实，太阳发出光和热所需的能量，都来自于太阳内部的核反应。目前，人类已经掌握了利用核反应发电的技术，建立的不少核电站将核能转换为我们日常生活中所需的电能。在太空中，核能同样已经得到了广泛的应用，并有望在未来成为太空探测的核心动力来源。

▲ 不断裂变中的钚- 238能产生源源不断的热量，导致它自身通红

▲ 大力神- IIIE火箭发射旅行者1号

▲ 玉兔二号携带了同位素温差发电器，能够在供热的同时，在月夜照样为探测器提供不低于2.5W的电能

RTG的原理并不复杂，其基本构造和一个煤炉基本相似。RTG一般是圆柱状，圆柱中间是核燃料，能够通过自发的衰变反应产生热量，像是一块块正在燃烧的蜂窝煤。而它之所以能够将热转换成电能，就是因为包裹核燃料的RTG外壁不一般。这种被称为“热电偶”的外壁装置，由一些特殊的半导体材料制成。当热电偶两侧的温度不一样时，它就能向外发电，将热能转换为电能。这种由温差产生电压的现象被成为“塞贝克效应”，是以发现它的德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克命名的。随着核燃料的衰变持续进行，RTG内部和外部的温差就能持续存在，从而能通过热电偶产生稳定的电能。

▲ 堪培拉的43米口径天线正在与旅行者1号探测器通信，在“旅行者1号”看来，太阳此时仅是一个微不足道的光斑

目前，航天RTG使用最多的核燃料为钚- 238。这种核燃料是根据以下几个原则被选择出来的。首先，这种元素的衰变速度不能太快，否则无法长期支持航天器工作。第二，单位质量的核燃料产生的能量必须足够多，这样航天器只需携带少量核燃料就能满足需要。第三，核燃料衰变时辐射出的射线类型要尽可能容易被热电偶吸收。钚- 238的半衰期有877年，每克钚- 238释放能量的功率为0.54瓦，能够满足前两条要求。更难能可贵的是，钚- 238在衰变，几乎只产生热电偶容易吸收的α射线，而不产生穿透力比较强，又不容易被热电偶吸收的β射线。这样，钚-238在衰变时的辐射几乎都被热电偶本身吸收，基本不用在RTG外部设置额外的屏蔽层，来阻挡β射线对其他设备的辐射危害。

▲ 用于和旅行者号通信的深空网络控制中心

电能耗尽之后

然而，RTG虽然有种种适合深空飞行器的优点，但终究是一种依赖于核燃料的电池。随着核燃料的不断衰变，其产生的电能也会相应减少。此外，用于将热能转化电能的热电偶极材料的性能，也会随着时间下降，进一步减少了电池的供电输出。根据美国宇航局的估计，从发射伊始，旅行者号探测器上的RTG供电将会以每年4瓦的速度降低，目前的输出功率仅有刚发射时的60%。

为了解决供电不足的问题，美国宇航局不得不在任务运行的过程中逐步关闭没有必要继续使用的科学仪器，来降低整个飞船的电能消耗，使有限的电量能够支撑任务延续。仪器关机的序幕在上世纪90年代初拉开，当时，两艘旅行者号探测器已经完成了对大行星及其卫星系统的探测，接下来的探测任务是继续向星际空间进发，只需要对飞船所在位置的物理参数进行探测的局地探测仪器继续工作即可，而与相机类似，能够进行成像的观测仪器便不再需要。在成像仪器关闭前，美国宇航局利用最后的拍照机会，指令“旅行者1号”在距离地球64亿公里外，拍下了它所探测过的所有行星，形成了一张太阳系的准全家福。在那张照片中，地球以一个小小的光点的形象出现。天文学家卡尔·萨根曾经感慨道：“也许没有什么能比从遥远太空拍摄到的我们微小世界的这张照片，更能展示人类的自负有多愚蠢。对我而言，这也是在提醒我们的责任所在：更和善地对待彼此，并维护和珍惜这颗暗蓝色的小点—— 这个我们目前所知唯一的家园。”后来，这张被称为“暗淡蓝点”的照片广为流传。

随着电能的进一步下降，有些仍在工作的局地探测仪器，也不得不关闭，或转入相对节能但有风险的状态工作。例如，进入2019年后，负责探测器运行的人员关闭了“旅行者2号”上负责宇宙线探测的一台简称为CRS仪器的加热器，以节省电能。虽然关闭加热器并不意味着仪器关机，但是也会给仪器的继续正常运行带来比较大的风险，并有可能加快仪器损坏的过程。一旦加热器关闭，CRS的运行温度可能下降到零下59摄氏度，低于这台仪器在地面测试时的极限低温零下45摄氏度。不过令人欣慰的是，“旅行者1号”上也进行过类似的操作，仪器在如此的低温下仍然能够继续工作数年。

之所以选择CRS作为关闭加热器的的仪器，是因为目前“旅行者2号”的宇宙线探测功能也可以由其他仪器完成。其他仪器能从多个方向接受粒子，而CRS的方向则是固定的。部分放弃CRS，是目前的供电状态下能够获得的最优解。在关闭CRS的加热器前，负责探测器控制的工程团队和负责科学产出的科学团队进行了充分的讨论，并共同做出了这个决定。

▲“暗淡蓝点”就是地球照片（最右侧棕色带中间的蓝色小点）

随着RTG供电能力的进一步降低，旅行者号探测器的工作也将接近尾声。按照目前的估计，可能在2020年代末，或者2030年代中，RTG的电能就已经无法支持飞船系统运行和与地球通信的最基本的电能需求。那时，虽然科学探测无法继续，但两艘旅行者号探测器仍然将作为人类的信使，携带者着包含人类信息的“金唱盘”，飞向星际空间中。