空間電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望

伍賽特

上海汽車集團(tuán)股份有限公司

關(guān)鍵字：空間電源；電動(dòng)繩系；核裂變；核聚變；反物質(zhì)

0 引言

空間電源技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際范圍內(nèi)的一大技術(shù)熱點(diǎn)，但相關(guān)技術(shù)的不斷完善依然會(huì)面臨固有的挑戰(zhàn)和困難[1]。除國(guó)際空間站外，最大的空間電能用戶是位于地球同步軌道上的商業(yè)通信衛(wèi)星。對(duì)于地球同步軌道通信衛(wèi)星而言，發(fā)電功率增加亦意味著數(shù)量更多的通信轉(zhuǎn)發(fā)器和更大的帶寬。

本文重點(diǎn)研究了4種空間電源技術(shù)，分別為空間電動(dòng)繩系技術(shù)、空間核裂變技術(shù)、空間核聚變技術(shù)和空間反物質(zhì)技術(shù)。這四類技術(shù)的成熟度彼此存在差異。近年來(lái)，在國(guó)際領(lǐng)域上，電動(dòng)繩系和核裂變反應(yīng)堆技術(shù)的成熟度已逐漸達(dá)到可在空間領(lǐng)域應(yīng)用的程度。同時(shí)，該兩項(xiàng)技術(shù)已進(jìn)行了諸多飛行測(cè)試，且核裂變技術(shù)已在重要的戰(zhàn)略層面上得以應(yīng)用。這兩項(xiàng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是如何在成本、性能和風(fēng)險(xiǎn)上比太陽(yáng)能電池陣列具備更廣泛的優(yōu)勢(shì)。核裂變反應(yīng)堆依然面臨著如何提高安全性的問題。相比之下，核聚變和反物質(zhì)推進(jìn)技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，其在得以應(yīng)用之前需要進(jìn)一步加強(qiáng)研發(fā)投入。

1 空間電動(dòng)繩系技術(shù)

電動(dòng)繩系最初作為一種空間推進(jìn)裝置而得以發(fā)展，但其也可應(yīng)用于空間電源領(lǐng)域。電動(dòng)繩系是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)想，由一根從衛(wèi)星中沿最低點(diǎn)或反最低點(diǎn)方向伸出的導(dǎo)電線組成，使其穩(wěn)定于重力梯度方向。電動(dòng)繩系通常采用導(dǎo)電膠帶、電纜或編織結(jié)構(gòu)，以增大可傳導(dǎo)的電流值，或增強(qiáng)對(duì)衛(wèi)星機(jī)體造成損傷的抵抗力。應(yīng)將電動(dòng)繩系與已被應(yīng)用于空間實(shí)驗(yàn)的非導(dǎo)電繩系區(qū)分開來(lái)，盡管非導(dǎo)電繩系已在空間任務(wù)中得以應(yīng)用，但其依然無(wú)法被應(yīng)用于空間電源領(lǐng)域[2]。

電動(dòng)繩系更適用于赤道低軌區(qū)域。該處的地磁場(chǎng)最強(qiáng)，且速度矢量與磁場(chǎng)方向最接近垂直[3]。在地球靜止軌道上，磁場(chǎng)由于較弱，而陽(yáng)光在一年中多數(shù)時(shí)候都很強(qiáng)。在該軌道上，相比于太陽(yáng)能電池陣列，電動(dòng)繩系可能是最具競(jìng)爭(zhēng)力的空間電源。

在空間推進(jìn)和空間電源兩種應(yīng)用中，電動(dòng)繩系均需要設(shè)置返回路徑，以使電流通過(guò)空間等離子體。為了能與空間等離子體發(fā)射電連接，繩系必須能夠從端部發(fā)射和收集電子。在繩系充滿正電的一端，電子收集可用一種相對(duì)簡(jiǎn)單的辦法實(shí)現(xiàn)，即將繩系的一個(gè)區(qū)域暴露于空間等離子體中。在繩系的陰極，電子的發(fā)射方式仍需不斷完善。原理上，與發(fā)射電子相對(duì)，可以擴(kuò)展出較大的繩系區(qū)域，以收集空間等離子體中的離子，但該方法需要收集足夠強(qiáng)的離子流。因此，陰極需要某種主動(dòng)電子發(fā)射裝置[4]。

可用于繩系的最成熟的電子發(fā)射技術(shù)使用空心陰極或等離子體接觸器?？招年帢O使氙氣流通過(guò)LAB6管而產(chǎn)生電子，通過(guò)氙氣的電弧使離子和LAB6材料發(fā)生碰撞，從而釋放出電子?？招年帢O技術(shù)也可用于離子推進(jìn)器和大型靜止軌道通信衛(wèi)星的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的電子源?？墒?，該項(xiàng)較為成熟的電子發(fā)射選擇，即空心陰極技術(shù)，在使用多年后即存在明顯缺陷。空心陰極需要儲(chǔ)存推進(jìn)劑，以降低對(duì)繩系“減少推進(jìn)劑推進(jìn)”能力的要求，需要復(fù)雜的線路以用于點(diǎn)火和維持放電，通常還要求具備較大的質(zhì)量和功率配給。場(chǎng)發(fā)射裝置以及熱離子發(fā)射裝置都是降低推進(jìn)劑數(shù)量的有效選擇，但目前尚未證實(shí)其是否可在電動(dòng)繩系的使用壽命內(nèi)和電流水平下可靠工作。正在進(jìn)行的研究致力于提高場(chǎng)發(fā)射和熱離子發(fā)射裝置的壽命和可靠性，以此會(huì)對(duì)繩系在軌道應(yīng)用中的實(shí)用性產(chǎn)生較大的影響[5]。

繩系發(fā)出的電能必須有相應(yīng)的能量來(lái)源，以滿足能量守恒定律。繩系與行星磁場(chǎng)的洛倫茲力相互作用，會(huì)產(chǎn)生減小衛(wèi)星軌道動(dòng)能的電磁阻力。因此，繩系發(fā)電是以損失軌道高度為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。在評(píng)估繩系發(fā)電的收益時(shí)，必須從系統(tǒng)水平上考慮其可能帶來(lái)提高發(fā)射能力的成本。

至今，對(duì)于地球軌道上的典型空間任務(wù)而言，以軌道高度為代價(jià)，用繩系發(fā)電通常是一類性價(jià)比較低的技術(shù)方式，原因主要有兩點(diǎn)。（1）該空間內(nèi)的相關(guān)影響因素必定會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，因?yàn)檫\(yùn)載火箭和空間電源之間的成本均衡會(huì)隨技術(shù)進(jìn)步而發(fā)生變化。（2）繩系的這種允許軌道和電能之間的系統(tǒng)交換能力是獨(dú)一無(wú)二的?？梢灶A(yù)想，以繩系作為儲(chǔ)能裝置是一個(gè)更加有利的航天任務(wù)方向。儲(chǔ)能可通過(guò)對(duì)繩系做功，以改善航行軌跡和提升軌道能量。之后，通過(guò)從繩系中放電和降低軌道高度可最新獲得之前儲(chǔ)存的能量。通過(guò)重復(fù)該循環(huán)，在任何軌道上，繩系都可以像衛(wèi)星電池一樣作為儲(chǔ)能裝置。

在地球軌道之外，繩系發(fā)電還具有潛在的、更好的空間應(yīng)用價(jià)值。在木星附近，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度約為地球附近的1/27。在該處空間電源需要使用面積較大的太陽(yáng)能電池陣列或放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（RTGs）。目前，仍有一種辦法可適用于衛(wèi)星從轉(zhuǎn)移軌道上向有磁場(chǎng)的目標(biāo)行星轉(zhuǎn)移的情況。在到達(dá)目標(biāo)行星附近時(shí)，繩系展開并被用作制動(dòng)推進(jìn)器，以進(jìn)入軌道，同時(shí)發(fā)出電能[6]。

電動(dòng)繩系自身具有較大的升空前測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于繩系長(zhǎng)度較大（百米到千米的量級(jí)），由此無(wú)法在真實(shí)模擬在軌低重力環(huán)境條件的地面測(cè)試中展開。除此以外，地面實(shí)驗(yàn)室無(wú)法復(fù)現(xiàn)空間等離子環(huán)境，發(fā)射前在陸地上的研究也不能對(duì)繩系的功能性進(jìn)行端到端的電氣測(cè)試。

由于無(wú)法通過(guò)地面設(shè)備進(jìn)行高保真測(cè)試，世界各國(guó)被迫進(jìn)行了大量空間試驗(yàn)，在這方面目前已在一項(xiàng)復(fù)雜技術(shù)的成熟化上取得了顯著進(jìn)展。相關(guān)飛行試驗(yàn)也表明，繩系在進(jìn)入軌道時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大振蕩。這一點(diǎn)對(duì)于衛(wèi)星的穩(wěn)定性有顯著影響，尤其是對(duì)于通信、導(dǎo)航及監(jiān)視等對(duì)指向精度有較高要求的衛(wèi)星。為找到抑制這種振蕩的方法，已經(jīng)開展了重大研究，但還未進(jìn)行空間測(cè)試。

迄今為止，在空間電源領(lǐng)域，尤其是在太陽(yáng)能電池陣列占統(tǒng)治地位的靜止軌道通信衛(wèi)星的空間應(yīng)用上，電動(dòng)繩系的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力依然不如太陽(yáng)能電池陣列[7]。如果能不斷在電子發(fā)射、動(dòng)力學(xué)及部署風(fēng)險(xiǎn)問題上取得進(jìn)展，電動(dòng)繩系可能會(huì)成為地球軌道和其他行星軌道上的商業(yè)缺口。

2 空間核裂變電源技術(shù)

RTGs作為一種亞臨界核裂變電源，是空間領(lǐng)域電能的一種重要來(lái)源，其為早期軍事衛(wèi)星和長(zhǎng)期的空間任務(wù)提供可靠的電能供給。但由于RTGS電源功率有限[8]，需將其功率提升至千瓦等級(jí)的水平，用以滿足空間監(jiān)視和無(wú)線電定向和測(cè)距（RADAR）任務(wù)。蘇聯(lián)和美國(guó)均已發(fā)展了空間核裂變反應(yīng)堆。盡管空間核裂變反應(yīng)堆依然并未被部署在衛(wèi)星上，但由于其固有的高功率以及在衛(wèi)星進(jìn)入日食區(qū)時(shí)提供不間斷輸出高功率的能力，其依然有著較高的研究?jī)r(jià)值。高功率空間電源在航天領(lǐng)域充滿競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)由于太陽(yáng)能電池的發(fā)電能力會(huì)隨衛(wèi)星遠(yuǎn)離太陽(yáng)而逐漸衰減[9]，其在日食區(qū)和遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)的發(fā)電能力，對(duì)于諸如RADAR和具有夜間數(shù)據(jù)采集能力要求的光電偵察等地球軌道任務(wù)而言，可謂更具吸引力。

反應(yīng)堆通過(guò)核裂變反應(yīng)過(guò)程從而輸入和輸出產(chǎn)生熱能。輸入指標(biāo)是指燃料量和中子通量，燃料量在發(fā)射前批量裝載燃料的情況下通常是固定的，而中子通量通過(guò)裂變反應(yīng)過(guò)程中中子的調(diào)節(jié)、吸收和反射來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以此可通過(guò)調(diào)整核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如控制棒和控制屏。裂變過(guò)程的輸出指標(biāo)則包括更多的中子、熱能以及核裂變副產(chǎn)物。多數(shù)空間反應(yīng)堆使用高純度燃料，反應(yīng)堆中裂變副產(chǎn)物的堆積在任務(wù)期內(nèi)通常并不作為重大問題而進(jìn)行處理。反應(yīng)堆的溫度可通過(guò)控制中子束流和冷卻液而通過(guò)反應(yīng)堆核心的流率來(lái)調(diào)節(jié)。由于無(wú)法將地面上應(yīng)用的浮力效應(yīng)運(yùn)用于反應(yīng)堆設(shè)計(jì)過(guò)程中，反應(yīng)堆的空間應(yīng)用明顯依賴?yán)鋮s液循環(huán)泵。在其他行星或月球上時(shí)，則可使用兩相蒸氣作為一種無(wú)需泵送的工作流體。在空間中，則可使用單相冷卻劑，如液態(tài)金屬，或使用惰性氣體，如氦氙混合氣。

使用空間核反應(yīng)堆作為發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵是將輸出的熱能轉(zhuǎn)化成有用的電能[10]。在熱力學(xué)領(lǐng)域中，其意味著像高溫儲(chǔ)水池一樣的反應(yīng)堆必須與一個(gè)熱機(jī)或熱電直接轉(zhuǎn)換裝置相連。廢熱被送入低溫庫(kù)及衛(wèi)星上配裝的擴(kuò)展散熱板中?；厮輾v史，熱電堆在空間核發(fā)電系統(tǒng)中曾占據(jù)主導(dǎo)地位[11]，盡管蘇聯(lián)在最后幾次空間發(fā)射中使用了效率更高的熱離子轉(zhuǎn)換器，并持之以恒地研究熱離子發(fā)電裝置，以及實(shí)際熱機(jī)（比如遵循布雷頓循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)和遵循斯特林循環(huán)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)），包括其他一些新型直接轉(zhuǎn)換裝置（例如熱光伏電池），也對(duì)其開展了相關(guān)研究。

直接轉(zhuǎn)換裝置通常是基于一個(gè)熱力循環(huán)來(lái)進(jìn)行運(yùn)作，其中應(yīng)用了熱力學(xué)第一和第二定律，即將反應(yīng)堆輸出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫碾娔芎蛷U熱，且通過(guò)第二定律描繪出效率和溫度的關(guān)系。這些裝置通常會(huì)使轉(zhuǎn)換器及其附帶的散熱器的總質(zhì)量得以最小化，但其代價(jià)是系統(tǒng)效率的降低。這種低效率為在較大系統(tǒng)中使用熱機(jī)提供了必要的應(yīng)用前景。

3 空間核聚變電源技術(shù)

為解決RTGs的一些負(fù)面效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)其高功率性能，未來(lái)有3種較為可行的方案。第一種方案通過(guò)解決熱電轉(zhuǎn)換裝置（TECs）自身的低效率問題以提高RTGs裝置的內(nèi)在效率。先前通常采用的是熱電轉(zhuǎn)換單元，其具有4%～7%的轉(zhuǎn)換效率。使用新材料或更好的單元電池設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)潛在的效率提高，可使效率提升至12%～14%，甚至在未來(lái)有望達(dá)到25%。這對(duì)于RTGs和使用熱電、熱光伏或熱離子轉(zhuǎn)換裝置的反應(yīng)堆都是較為可行的。雖然這種效率的提高減弱了尋找其他途徑的需求，但應(yīng)當(dāng)注意到，該領(lǐng)域的主要工作對(duì)象是小型發(fā)電裝置（發(fā)電量通常不到1 W），而且這些裝置的測(cè)試壽命均短于一整年。因此，為減小研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，需充分考慮到熱電、熱光伏或熱離子轉(zhuǎn)換器及相關(guān)子系統(tǒng)。

第二種方案若要探求更多的功率提升方法，可從單位質(zhì)量中獲得更多能量或使用各種熱機(jī)循環(huán)進(jìn)行補(bǔ)充，以此更有效地將熱能轉(zhuǎn)化為電能。

第三種方案更高的能量/質(zhì)量比則需通過(guò)核裂變反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)，而非通過(guò)放射性衰變過(guò)程[12]。

NASA自19世紀(jì)70年代以來(lái)即已開展了相關(guān)研究，但對(duì)此僅進(jìn)行過(guò)地面測(cè)試，從未開展過(guò)飛行試驗(yàn)。同樣，可考慮的熱源大多是放射性核素衰變單元，而并非反應(yīng)堆。這由于超出太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)附近的相對(duì)較小的負(fù)載功率要求，RTGs的高技術(shù)水平必須直面在從地球軌道轉(zhuǎn)移之前從而所依賴的高功率核系統(tǒng)所隱含的一系列風(fēng)險(xiǎn)。由此使得遵循用于具有低效率熱電轉(zhuǎn)換器的高功率反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)先例的可能性不大，其原因有兩點(diǎn)。第一點(diǎn)邏輯上，功率/質(zhì)量比的提高對(duì)任何空間任務(wù)的執(zhí)行都是較為關(guān)鍵的，同時(shí)需避免核組件進(jìn)入地球大氣而引發(fā)的一系列災(zāi)難性后果，這使得對(duì)任何核發(fā)電系統(tǒng)的效率的考慮成為減小風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。第二點(diǎn)考慮的是以此可減小發(fā)射質(zhì)量，使用熱機(jī)時(shí)更有效的轉(zhuǎn)換過(guò)程則要求更小的反應(yīng)堆質(zhì)量。

空間核裂變技術(shù)在早期曾得以成功應(yīng)用，但其應(yīng)用范圍在后期卻日漸式微。在技術(shù)和政治層面上由于存在雙重障礙，亦使該領(lǐng)域的研究進(jìn)展得以延緩。美國(guó)地面核工業(yè)的不斷衰落、陸續(xù)發(fā)生的三里島和切爾諾貝利的核事故，以及20世紀(jì)晚期過(guò)剩的能源生產(chǎn)力，逐漸減少了來(lái)自私人產(chǎn)業(yè)的技術(shù)投入。最終，太陽(yáng)能電池陣列在空間電源領(lǐng)域上取得重大進(jìn)展，并已成功應(yīng)用于20 kW量級(jí)的衛(wèi)星系統(tǒng)。

核技術(shù)應(yīng)用于空間任務(wù)的項(xiàng)目通常僅進(jìn)展到地面試驗(yàn)階段，盡管其已在系統(tǒng)可靠性和效率上取得了顯著突破，但這種暫時(shí)性的技術(shù)停滯依然將持續(xù)一段時(shí)間。

核聚變反應(yīng)通常會(huì)產(chǎn)生10倍于核裂變反應(yīng)的能量，因而對(duì)于制造高功率或更緊湊的發(fā)電系統(tǒng)充滿吸引力。當(dāng)前，用于約束聚變反應(yīng)的地面設(shè)備需要較大的容器。由此可知，基于當(dāng)前技術(shù)手段的空間應(yīng)用的初步發(fā)展將達(dá)到更高的功率水平（兆瓦級(jí)或更大），該數(shù)值遠(yuǎn)超過(guò)地球軌道任務(wù)的需求[13]。因此，核聚變空間電源的主要吸引力是為行星際或深空任務(wù)的推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力[14-15]。這些任務(wù)需要高功率的推進(jìn)系統(tǒng)，以縮短航行時(shí)間。

聚變能是通過(guò)兩個(gè)較輕原子融合為一個(gè)總質(zhì)量略微減小的較重原子而產(chǎn)生的。損失的總質(zhì)量以能量的形式實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)在于約束。帶正電的原子核必須克服庫(kù)倫斥力接近，并保持緊密的接近狀態(tài)且保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以此促成聚變反應(yīng)的進(jìn)行[16]。當(dāng)約束時(shí)間滿足要求，且反應(yīng)速率達(dá)到使產(chǎn)生的能量超出約束原子核所消耗能量的程度時(shí)，聚變反應(yīng)即會(huì)超過(guò)盈虧平衡點(diǎn)并開始輸出能量。

可考慮將幾類反應(yīng)用于聚變發(fā)電。最易于實(shí)現(xiàn)約束的是氘氚（D-T）反應(yīng)，但該反應(yīng)在空間應(yīng)用上仍存在缺陷。反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子使周圍的材料和結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞并產(chǎn)生放射性。相比于衛(wèi)星的工作壽命，氚的12.32年的半衰期依然是一項(xiàng)問題。中子的動(dòng)能必須被轉(zhuǎn)化為可被衛(wèi)星子系統(tǒng)使用的電能。為此，需要用熱覆蓋層包圍聚變反應(yīng)區(qū)，以將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，然后再使用核裂變反應(yīng)堆部分所描述的技術(shù)進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。

被研究用于地面核聚變發(fā)電的兩種最常見的約束方法為磁約束和慣性約束。磁約束法使用來(lái)自外部或強(qiáng)等離子流自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使等離子體保持高溫。從根本上講，其為穩(wěn)態(tài)反應(yīng)。慣性約束法使用高功率脈沖激光器使一個(gè)小目標(biāo)發(fā)生內(nèi)爆，或使用脈沖電源通過(guò)磁作用使一根小型低溫纖維發(fā)生內(nèi)爆。慣性約束法會(huì)產(chǎn)生一系列小型爆炸，其本質(zhì)上相當(dāng)于微型核聚變武器。

使用現(xiàn)有約束方法的核聚變發(fā)電技術(shù)用于空間電源的系統(tǒng)工程的影響是令人震驚的。磁約束法將需要配置大型超導(dǎo)磁體（由此會(huì)帶來(lái)熱耗散問題），亦需要大量?jī)?chǔ)存能以啟動(dòng)或重啟反應(yīng)，對(duì)等離子體進(jìn)行輔助加熱的潛在的復(fù)雜方法、燃料來(lái)源及可能的燃料生產(chǎn)輻射效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星有效載荷和成員產(chǎn)生的影響[17]。慣性約束空間電源的影響同樣顯著。深度低溫能力和高功率激光或粒子束是有效實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變的先決條件。

但是，通常難以對(duì)空間聚變發(fā)電的系統(tǒng)工程影響進(jìn)行客觀評(píng)估，其主要是由于地面核聚變技術(shù)尚未達(dá)到商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的成熟度。當(dāng)前，得出“將來(lái)的地面核聚變發(fā)電將采用磁約束或慣性約束”的結(jié)論是不合理的?？紤]到該系統(tǒng)的復(fù)雜性和規(guī)模，由此不斷開拓出全新的技術(shù)領(lǐng)域，以此啟動(dòng)并容納核反應(yīng)，地面核聚變才會(huì)作為一種可行的電源實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。當(dāng)這些進(jìn)展在地面上實(shí)現(xiàn)以后，空間電源用戶必定會(huì)考慮將該技術(shù)過(guò)渡到空間軌道應(yīng)用領(lǐng)域中。

核聚變發(fā)電的潛在應(yīng)用也是必不可少的?，F(xiàn)有的技術(shù)手段從根本上造就了吉瓦級(jí)的大型高功率系統(tǒng)。這種功率水平提升了星際載人飛行的實(shí)現(xiàn)可能性，尤其是在飛船著陸后且能在行星上進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)要求。因此，在空間推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境下考慮空間核聚變發(fā)電技術(shù)更為適宜。

4 空間反物質(zhì)電源技術(shù)

反物質(zhì)是已知材料中能量密度最高的。該發(fā)電方式類似空間聚變發(fā)電，其主要被研究用于支持星際或深空探測(cè)領(lǐng)域。正物質(zhì)與反物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)后的能量密度可達(dá)108MJ/g的量級(jí)。其能量密度約為常規(guī)化學(xué)反應(yīng)的1010倍，裂變反應(yīng)的1 000倍，以及聚變反應(yīng)的100倍。

實(shí)現(xiàn)空間反物質(zhì)電源所需的技術(shù)開發(fā)可謂重中之重。反物質(zhì)產(chǎn)量較為有限，每年的產(chǎn)量?jī)H在納克量級(jí)，且其主要在相關(guān)粒子加速器，如在歐洲核子研究組織（CERN）和美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)。生產(chǎn)反物質(zhì)的成本極高，由此如作為地面電源，該項(xiàng)技術(shù)的意義并不大，因?yàn)橹圃旆次镔|(zhì)所消耗的電能遠(yuǎn)超該反應(yīng)放出的能量。對(duì)于空間應(yīng)用，這種低效率所引發(fā)的問題則有所降低。如果在地面上生產(chǎn)反物質(zhì)，然后將其帶入太空作為電源或推進(jìn)能源，則其低效率的技術(shù)弊端可被相應(yīng)減少的運(yùn)載成本和較短的任務(wù)時(shí)間等因素所補(bǔ)償。關(guān)于儲(chǔ)存反物質(zhì)燃料領(lǐng)域的研究，目前主要集中在潘寧陷阱領(lǐng)域。

與核聚變技術(shù)一樣，建造適用于反物質(zhì)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用的基礎(chǔ)設(shè)施的成本是一項(xiàng)巨大的投資。為實(shí)現(xiàn)其空間應(yīng)用，仍需開展國(guó)際性合作，以支持相關(guān)投資和研究，找到成本和復(fù)雜性都大幅降低的反物質(zhì)生產(chǎn)方法。

5 結(jié)論及展望

當(dāng)使用新技術(shù)所獲得的收益和發(fā)展機(jī)會(huì)超過(guò)成本和風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，空間技術(shù)水平亦得以不斷推進(jìn)。未來(lái)，空間核反應(yīng)堆將會(huì)用于獲得比太陽(yáng)能電池陣列更高的功率。彼時(shí)的低效率太陽(yáng)能電池將被用于開發(fā)更高功率的電池陣列，從而也會(huì)帶來(lái)超出衛(wèi)星姿態(tài)控制等方面的技術(shù)影響。類似的核裂變和反物質(zhì)技術(shù)均會(huì)被將來(lái)的空間任務(wù)所推動(dòng)。該類任務(wù)將要求在有限的質(zhì)量范圍內(nèi)提高電源能量和推進(jìn)功率的量級(jí)。

同樣，電動(dòng)繩系也可通過(guò)消耗軌道能量來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。該項(xiàng)技術(shù)已通過(guò)多次空間試驗(yàn)而得以證實(shí)?？傮w而言，通過(guò)軌道能量而轉(zhuǎn)換電能仍會(huì)存在一定的技術(shù)弊端。因此，電動(dòng)繩系空間電源預(yù)計(jì)僅會(huì)在相關(guān)項(xiàng)目上偶有應(yīng)用。同時(shí)，相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)將會(huì)不斷促使先進(jìn)空間電源系統(tǒng)的不斷進(jìn)步及日漸推廣。