隨著核能和相關技術發展，星際飛行預計將變得更快、更高效、更經濟，人類即將進入一個太空旅行的新時代，可以前往火星、我們的太陽系和更遠的地方。
國際原子能機構（IAEA）“原子用于太空：用于太空探索的核系統”網絡研討會的專家一致認為，核技術將繼續在未來的太空任務中發揮重要作用。（圖源：Shutterstock）
隨著核能和相關技術發展，星際飛行預計將變得更快、更高效、更經濟，人類即將進入一個太空旅行的新時代，可以前往火星、我們的太陽系和更遠的地方。
這是一個由公共和私營部門的國際專家組成的小組，在本周的IAEA網絡研討會上得出的結論，該研討會的主題為“空間原子：空間探索核系統”。
他們一致認為，核裂變和核聚變方面的進步，對深空旅行是不可或缺的，同時也強調核能可以為機載系統和儀器提供電力，并為人類在太陽系天體上的長久生活提供動力。
IAEA副總干事兼核能部部長米哈伊爾·丘達科夫（Mikhail Chudakov）說：“核技術長期以來在重要的太空任務中發揮著至關重要的作用。但未來的任務可能會依賴核動力系統，實現更廣泛的應用。我們通往恒星的道路必須要利用原子。”
核裂變從分裂的原子核中獲得能量，而核聚變則是通過將原子核連接起來，在這個過程中釋放能量。
網絡研討會的參與者們聽說了一些系統，這些系統可以同時使用裂變和聚變來驅動宇宙飛船，也可以使用地外表面能量和船載宇宙飛船系統的能量。
在可預見的未來，從地球發射的火箭將依賴化學燃料。然而，一旦進入軌道，核發動機就可以接管并提供推進，以加速航天器穿越太空。
美國宇航局前首席項目工程師威廉·埃姆里奇（William Emrich）說：“在未來，載人行星際飛行任務幾乎肯定需要性能水平大大超過當今最好的化學發動機的推進系統。”
他補充說，用于太空旅行的一個可靠能源選擇是核熱推進（NTP）。
在NTP中，核裂變反應堆加熱液體推進劑，如氫，熱量將液體轉化為氣體，氣體通過噴嘴膨脹以提供推力并推動航天器。
NTP的優勢在于，太空飛行將需要較少的燃料進入太空，而NTP發動機將縮短旅行時間——與傳統的化學火箭相比，前往火星的旅行時間縮短了25%。縮短太空時間也減少了宇航員暴露在宇宙輻射下的時間。
另一方面，核電推進（NEP）是一種選擇，通過將核反應堆的熱能轉化為電能來提供推力，消除了相關的NTP需求和在船上儲存推進劑的限制。
在NEP中，推力較低但持續，燃料效率遠高于傳統化學火箭，因此速度更高，到火星的傳輸時間可能比傳統化學火箭縮短60%以上。
“對于需要高電力輸出的太空任務，例如人類火星任務或太空渡輪，基于裂變反應堆的電力系統可能優勢非常大，”北京航天器系統工程研究所的杜輝（Hui Du）援引中國空間技術研究院2015年的一項研究說，研究發現，如果沒有太空核反應堆，人類的火星任務是不可行的。
Ad Astra火箭公司正在開發的NEP系統，即可變比沖磁等離子體火箭（VASIMR），是一種等離子體火箭，在這種火箭中，電場加熱并加速推進劑，形成等離子體，當等離子體從發動機中噴射出來時，磁場將等離子體引導到正確的方向，為航天器創造推力。
與傳統的NEP不同，VASIMR的設計將能夠處理大功率，同時保持電火箭的高燃油效率。
Ad Astra火箭公司首席執行官富蘭克林·張·迪亞斯（Franklin Chang Díaz）說：“在近期內，我們設想VASIMR發動機將支持一系列高功率應用，從地月空間的太陽能到行星際空間的核能。從長遠來看，VASIMR可能是仍處于概念階段的未來聚變火箭的先驅。”
普林斯頓等離子體物理實驗室的“普林斯頓反場約束聚變反應堆”（圖源：網絡）
聚變火箭，如普林斯頓等離子體物理實驗室正在開發的普林斯頓反場約束聚變反應堆概念，將具有產生直接聚變驅動（DFD）的優勢，直接將聚變反應中產生的帶電粒子能量轉化為航天器的推進力。
普林斯頓衛星系統公司（Princeton Satellite Systems）副總裁斯蒂芬妮·托馬斯（Stephanie Thomas）說：“DFD可以產生比其他系統高出幾個數量級的比功率，減少行程時間，增加有效載荷，從而使我們能夠更快地到達深空目的地。也可以供應人類火星任務和月球基地表面動力。”
她還解釋說，DFD的優點是體積小，所需燃料非常少——幾公斤可以為航天器提供十年的動力。
核反應堆還可用于為宇航員提供可靠的直接電源，用于長期的探索任務，供應人類在其他行星體上生存，在幾十年的時間里不需要加油。
裂變動力堆是一種微型反應堆，可以在一到幾十年間提供幾十kW的電力。目前的重點是使用低濃縮鈾燃料或高含量低濃縮鈾燃料。
NASA的空間核技術投資組合經理安東尼·卡洛米諾（Anthony Calomino）說：“NASA的重點仍然是設計、建造和演示一個低濃縮鈾裂變動力系統，該系統在月球表面計劃以及我們最終的載人火星任務中有著廣泛的應用，可擴展到100 kWe以上的功率級，并有可能滿足NEP系統的需求。”
通用原子全球公司（General Atomics Global Corporation）首席執行官維韋克·拉爾（Vivek Lall）說：“使用核裂變反應堆進行連續多年的鏈式反應，無論是用于空間推進還是用于地外表面動力，都是最好的選擇。”
除了推力，宇宙飛船還需要電力來維持生命支持系統、通信和其他硬件。
放射性同位素熱電發電機（RTG）在遠離太陽的幾十年里一直為旅行者號航天器提供動力，由于其在硬空間的低溫環境下為未來航天器機載系統提供長期熱量和電力的潛力而備受關注，無需任何維護。
未來基于核能的推力解決方案，如DFD，也可能同時能夠提供電力。
托馬斯說：“我們的研究表明，直接驅動聚變動力火箭發動機可以以最佳性能產生動力和推力，從一臺發動機產生電力和推進力。”
