太空中的斯特林发电机

撰文：马克·沃尔弗顿 （Mark Wolverton）
翻译：王栋

NASA打算利用200年前的一项技术，开辟太阳系探索的新时代。太空中的斯特林发电机具有高效和便宜的重要优势，有望成为驱动下一个太阳系探索时代的主要动力。

30多年来，美国国家航空航天局（NASA）的深空探测器，使用的都是放射性同位素温差发电机（Radioiso-tope Thermoelectric Generator，缩写为RTG），这是一种利用钚238衰变产生温差进而发电的装置。现在，NASA正在考虑放弃这种笨重、昂贵且效率不高的发电机，用一套新的发电系统取而代之。这套新设备使用更少的放射性燃料就能产生更多的能量，它所采用的技术实际上源于19世纪的一项发明。

1816年，一位满脑子天才想法的苏格兰牧师罗伯特·斯特林（Robert Stirling）发明了斯特林发动机，并取得了专利。这种发动机的结构很简单：在一冷一热两个气缸中充满“工作流质”（通常是空气、氦气或氢气），再用一个热交换器连接起来，便大功告成了。两个气缸间温度和压强的差异，使工作流质膨胀或收缩，循环往复地穿过热交换器，推动活塞运动。因此，这个过程可以将热能转化为机械能。在NASA的新装置中，热源由放射性衰变 提供。

美国华盛顿特区NASA总部太阳系探索项目负责人之一戴维·莱弗里（Dave Lavery）介绍说：“实际上，在过去的近30年里，我们一直在研究斯特林发动机，现在我们已经准备就绪，可以向前迈出下一步了。”

洛克希德·马丁公司对一台工程测试样机进行了组装，这种装置被称为“先进的斯特林放射性同位素发电机”（advanced Stirling radioisotope generator）。发电机内部的两个斯特林转换器，驱动一台直线交流发电机中的活塞，能够产生大约100瓦特的电能。这个装置长不到0.9米，宽约0.3米，小得可以放进超微型轿车的后座。它的重量也刚刚超过18千克，比普通的RTG轻了一半以上。斯特林发电机的能量转换效率高达20%～30%，与RTG只有6%～7%的效率相比，同样值得夸耀。这种发电机所需的同位素燃料也只有RTG的1/4。

对太空飞行来说，这些特性可以直接转化为重要的优势。由于斯特林装置重量更轻，因此发射费用更低，也让太空飞船能够携带更多的有效负载。同样，对放射性燃料需求量的减少（从RTG的9千克减少到斯特林装置的2.3千克），在节约花费的同时，还显著降低了安全风险，特别是减少了运载火箭升空时爆炸这种最坏情况所造成的污染风险。NASA十分重视公众对放射性安全的担忧，正如莱弗里所说，“对于任何涉及核能的设备，我们都会严格执行《美国国家环境政策法》（ National Environmental Policy Act ）的相关规定”。这项法案要求，NASA在最终决定执行任何一次发射任务之前，都必须搜集并认真研究公众 意见。

NASA格伦研究中心（Glenn Research Center）热能交换分部主管理查德·沙尔滕斯（Richard Shaltens）解释说，一旦洛克希德·马丁公司完成了初步测试，NASA格伦研究中心就将对这一设备进行更广泛的评估测试，使它尽快适应太空飞行的要求。他还指出，在累计超过10万小时的各类环境模拟实验测试中，斯特林转换器“表现出来的性能符合预期，它们的寿命也可能（比RTG）更长”。

NASA对斯特林放射性同位素发电机很有信心，他们甚至邀请空间科学界为斯特林发电机量身定制概念型行星探测任务。莱弗里表示，目前这种发电机的候选任务包括：飞向外行星、载人登月或登陆火星等。莱弗里说：“目前，它们的整体设计是为了同时适应各类环境，包括深空行星际环境和行星表面大气或真空环境等。”

最终，斯特林发电机也许会彻底淘汰RTG。莱弗里预计，这种发电机“将开创一个（放射性同位素动力系统）新家族，比我们现有的动力方案高效得多，也便宜得多”。即便是聪明绝伦的斯特林本人，恐怕也压根想不到，自己的一项巧妙发明会成为驱动下一个太阳系探索伟大时代的主要动力。 A/jBb5VSe7u+FhotpEfhDnwRnalh6Fx4PwDzgDph7SpxJhrnE4n1meLBaSbvXo3N