《冥王星任務》書評︰什麼電池用了十年還有電,讓新視野號可以探索冥王星?

《冥王星任務》書評︰什麼電池用了十年還有電,讓新視野號可以探索冥王星?
Photo Credit: Reuters/達志影像
我們想讓你知道的是

太空船離太陽愈遠,能夠接受到的太陽光就愈少,如果要靠太陽能板獲得電力就愈困難。冥王星接收到的太陽光更是不到地球的千分之一,太陽光已經無法提供太空船需要的電力。

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文:屋頂上的天文學家

冥王星距離我們非常的遙遠,平均距離大約是地球到太陽距離的40倍,要探索這麼遠的天體需要相當尖端的科學技術,美國航太總署(NASA)掌握哪些先進的技術讓新視野號(New Horizons)達成探索冥王星的任務呢?

與冥王星失之交臂

航行者任務(Voyager program)是美國航太總署相當成功的外太陽系探索計畫,這項任務由兩艘相同的航行者太空船組成。航行者2號於1977年8月20日發射,16天後(1977年9月5日),航行者1號也從佛羅里達州的卡納維爾角出發。為什麼先發射的航行者太空船是2號,而不是1號呢?這是因為航行者1號雖然較晚發射,但是後發先至,航行者1號比2號先抵達木星和土星,所以後發射的稱為航行者1號。

航行者2號飛掠木星、土星、天王星和海王星,是唯一一艘探險過天王星和海王星的太空船,我們現在對這兩顆行星的認識,很大一部分都是從航行者2號飛掠獲得的。

航行者1號的旅程原本可以在經過木星和土星後直達冥王星,但是後來決定轉向探索土星的衛星泰坦。泰坦是一顆擁有濃厚大氣的巨大衛星,科學家推測那裡可能有生命存在,所以泰坦成了航行者1號的探索對象。轉向泰坦後,航行者1號就無法探訪冥王星,要拜訪冥王星就只有等下一艘太空船,不過這一等就是幾十年。

尋找外援:俄羅斯的質子火箭

因為某些因素,美國航太總署的高層並不重視冥王星的計畫,甚至百般阻撓。雖然美國航太總署願意出資冥王星計畫,但是提供的經費只夠建造太空船,沒有錢支付升空的火箭費用。空有太空船,沒有火箭飛離地球也沒用,這讓冥王星任務計畫主持人史登(Alan Stern)相當頭痛。

為了解決火箭的問題,史登想到俄羅斯的質子火箭,如果俄羅斯願意提供火箭就可以解決這個問題。史登親自飛到莫斯科,俄羅斯的答覆是可以,不過太空船上要攜帶一項俄羅斯的儀器,這個條件聽起來很合理,讓美俄攜手探索冥王星成為可能。

眼看問題就要解決,不過這樁美俄合作的好事,卻因為電池的問題無法繼續。

什麼樣的電池用了十年還有電?

太空船離太陽愈遠,能夠接受到的太陽光就愈少,如果要靠太陽能板獲得電力就愈困難。目前距離太陽最遠,還使用太陽能板的太空船是朱諾號(Juno)。朱諾號目前繞木星運行,它能接收到的太陽光不到地球的三分之一,朱諾號必需靠三面巨大的太陽能板,才能夠讓它在木星軌道上持續運轉。

到了土星太陽光大約只剩地球的百分之一,冥王星接收到的太陽光更是不到地球的千分之一,太陽光已經無法提供太空船需要的電力。航行者和新視野號等探索外太陽系的太空船用的是電池,不過不是普通的電池,那是特製的核能電池。

這種電池稱為「放射性同位素熱電機」,它利用放射性元素鈽產生熱,再由熱產生電力。新視野號的核能電池只能產生兩百多瓦的電力,這樣的電力相當弱,連家裡吹風機的耗電都比它多。還好工程師設計的儀器耗電量都不大,省吃儉用還能讓新視野號上的各個儀器運作順暢。

太空船要搭載危險的放射性元素,要通過美國各個單位層層的審查,必須要在安全上萬無一失。想要讓俄羅斯的火箭發射這樣高危險的物品,基本上美國國防部應該是不會批准的,所以政治上的因素,讓俄羅斯發射太空船這件事就此打住。

【專書書評】內文附圖1
新視野號,圖中右上方黑色圓筒撞的就是放射性同位素熱電機。影像來源:NASA│Photo Credit:時報出版
冥王星,過站不停

在各方的努力之下,新視野號好不容易有了美國自己的火箭可以發射,不過光靠火箭的推力要到冥王星的時間還是太久。最快省時的方法是算準時機飛過木星,讓木星的重力助推一下,這可以讓原本十幾年的旅程縮短到不到10年。

新視野號以研究冥王星為主,在它之前的伽利略號則以木星為主要目標,當伽利略號抵達木星後,它會減速進入木星軌道繞木星運行,這樣伽利略號就可以長時間研究木星。

不過新視野號則不一樣,它以飛快的速度靠近冥王星,完全沒有減速,也沒有進入冥王星的軌道。新視野號就像過站不停的高速火車,呼嘯通過冥王星!新視野號為什麼不停下來好好的研究冥王星呢?

科學家在設計新視野號時,把它的重量減到最低,這是為了讓它容易加速,早日抵達冥王星。這樣的設計當然沒有攜帶減速用的火箭燃料,所以新視野號當然慢不下來。這表示新視野號只能在飛掠冥王星的前後短暫時間可以研究冥王星。這段短暫時間是新視野號飛行九年多後才獲得,也是新視野號團隊耗費無數心血後最企盼的寶貴時間。

意外中的意外

2015年7月4日,也就是新視野號預計飛掠冥王星的前十天,新視野號突然出現失聯的狀態!也就是地球上的新視野團隊聯絡不上太空船,這簡直是最可怕的噩夢。

不久之前,由民間出資的以色列月球探測器,原本雄心壯志的要登陸在月球表面,成為美國、蘇聯和中國之後,第四個登陸月球的國家。可惜在登陸月球前,突然出現故障,雖然地面人員緊急重開機,可惜無法挽回探測器墜毀月球的命運。

如果無法即時修復,新視野號這九年多的飛行和研究人員多年的心血就白費了。這一段在《冥王星任務》中有精采的描述,在這裡只能暴雷的說任務圓滿達成,至於細節就等你翻開書體會那驚心動魄、手心冒汗的過程了……

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責任編輯:羅元祺
核稿編輯:翁世航