第 4 章 - 能源

總論

所有文明都需要能量才能運作，包括每個人每天約 8 MJ（約 2000 卡路里）的食物能量。太空系統也不例外，它們需要能量來進行推進以及其他系統，如生命維持系統、計算機和材料加工。能量領域十分廣闊，涉及許多工程領域。太空專案的能量涉及同樣廣泛的領域。因此，我們只能提供一個介紹，並提供進一步研究的參考資料。在本節中，我們概述了所有型別的太空系統可能使用的能源。由於本書面向未來的太空專案，我們列出了許多尚未開發的能源，但根據已知的物理學原理是可行的。這些能源可以用於第二部分中列出的推進方法，以及第三部分及以後部分中描述的其他工程目的。透過製作能源與推進力的二維表格，我們可以對所有可能的推進方法進行分類，並在本書第二部分的開頭進行此操作。我們還沒有開發類似的表格來對太空專案中的其他系統進行簡潔分類。

近端能源與終極能源

能量守恆原理指出，能量既不能被創造也不能被消滅，只能從一種形式轉化為另一種形式。因此，所有專案的能量都必須來自現有的來源。對於給定的專案，您可以區分近端能源，即專案消耗的能源形式，以及終極能源，即追溯近端能源，透過以前的轉化將其追溯到最初的形式。最終，所有能量都可以追溯到宇宙的起源，但出於工程目的，我們很少追溯到那麼久遠，通常關心的是近端能源。

對於目前的太空系統，能量通常儲存在內部，例如發射運載工具中的化學能，或衛星中的陽光能。在未來，能量需求可能會發生變化，能源來源也會發生變化。永久性的場所，例如大型軌道棲息地或表面基地，通常需要持續的能量來源才能執行。像電池這樣的裝置在那個規模上變得笨重，無法為地球軌道的夜間部分或為期兩週的月球夜晚提供電力。未來的專案可能還需要更高的功率水平來執行諸如本地材料加工等任務。因此，以下標題試圖包括所有潛在的能源，包括許多尚未使用的能源，但這些能源在未來的太空專案中可能會變得有用。我們列出所有這些能源，以便設計師瞭解所有可能性，然後從中選擇適合特定任務的可行選項。我們排除了諸如人力和動物力量之類的能源，因為它們功率水平低，而且生物體不像非生物系統那樣受制於相同的工程設計。我們還排除了風能和地熱能等能源，這些能源主要適用於地球。最後，我們包括了一些能量儲存方法，這些方法並不嚴格意義上的能源。然而，能量儲存通常是系統設計中必不可少且重要的部分。

能源參考資料

要了解一般的能源來源，而不僅僅是它們如何應用於太空專案，一個起點是美國國家科學院的書籍美國的能源未來，2009 年。大約 150 本其他書籍可以在能源與節能主題從同一個網站免費下載。關於能量主題的百科全書參考資料包括能源百科全書，能源工程與技術百科全書，以及麥克米倫能源百科全書。這些通常是昂貴的參考書，因此建議使用圖書館或其他來源獲取。關於能量系統更具體方面的工程書籍很多。維基百科還包含一篇能源概述文章，其中包含許多連結。下面列出的一些概念目前還處於理論階段，因此在關於當前能源使用或工程的參考書中沒有得到很好的介紹。關於它們的資訊主要可以在研究報告和科學/技術論文中找到。

機械能源

機械能包括由於先前做功而儲存的能量，如壓縮氣體，以及由於位置（勢能）和運動（動能）而存在的能量。處於軌道運動的物體具有勢能和動能的組合。

A. 壓縮氣體

雖然壓力容器嚴格意義上只是一種能量儲存方法，但對於太空任務來說，儲罐通常是預先裝滿的。因此，它們在飛行中充當近端能源。儲存在加壓儲罐中的可用能量 W 可以從以下公式得出

W=p_{B}v_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}

其中 B 代表高壓，A 代表低壓，p 和 v 分別代表壓力和體積。因此，一個體積為 1 立方米的儲罐，高壓為 20 MPa，低壓為 10 Mpa，將提供 13.8 MJ 的可用能量。壓縮氣體是一種低密度能量儲存方法。它經常用於太空飛行器中，用於冷氣推力器和加壓液體燃料箱等任務。它最大的優勢是簡單，只需要一個儲罐和一個閥門，並且可以快速釋放儲存的能量。當需要更大的總能量時，通常更喜歡更高的密度，但更復雜的系統。

B. 勢能

勢能是系統由於其位置或構型而做功的能力。在太空專案中，這通常是相對於大型物體（如行星）的重力井的位置。一個簡單的假設例子是靜止的空間電梯纜繩。在提升貨物時，電力轉換為高度的勢能。在降低貨物時，勢能可以提取回電力。勢能 U 的公式在第 1.1 節 - 物理學中給出，如下

U=-G{\frac {m_{1}M_{2}}{r}}

兩個半徑之間的能量差表示在該距離內儲存或釋放的勢能。對於相對於距離 r 的半徑（高度）變化很小的變化，勢能差可以用平均重力（重量）乘以高度來近似。在行星表面，大量可利用的質量可以用來儲存勢能。在地球上，這透過水壩來實現水力發電。在其他天體上，一座山和一堆石頭可以起到同樣的作用。在山上下搬運石頭可以用來儲存或釋放能量。

C. 動能

動能是物體由於運動而具有的能量。它的公式在第 1.1 節 - 物理 中給出為

KE={\tfrac {1}{2}}mv^{2}=Fd

其中 KE 是動能，m 是物體的質量，v 是速度。它也等於作用力 F 乘以作用力作用的距離 d。一個在軌道上的物體既有軌道速度的動能，也有高度的勢能。在一個橢圓軌道上，它不斷地用高度交換速度。因此它也交換勢能和動能，但總能量保持不變。

旋轉物體，如空間站或反應飛輪，在其繞軸運動中具有一種動能形式。旋轉能量為 E(k)，其計算方法為

E_{k}={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}

其中 $\omega$ 是以弧度/秒為單位的角速度， $I$ 是質量相對於旋轉中心的慣性矩。慣性矩是物體抵抗扭矩或旋轉力作用的量度。慣性矩越大，施加給定力時旋轉速度越慢。慣性矩取決於旋轉物體中質量的分佈。質量的某一部分越遠，其貢獻就越大。慣性矩列表 中可以找到許多形狀的公式。對於複雜形狀，可以透過將其分成更簡單的部分並對各個慣性矩求和來找到總慣性矩。

慣性矩公式的一些示例為

I={\frac {1}{2}}mr^{2}

用於實心圓柱體，

I=mr^{2}

用於空心薄壁圓柱體，以及

I={\frac {1}{2}}m({r_{external}}^{2}+{r_{internal}}^{2})

用於空心厚壁圓柱體

動能可以透過引力，如引力彈弓機動；或電磁力，如許多機電裝置，轉換為其他形式的能量。勢能也可以透過奧伯斯效應在重力井深處消耗推進劑而轉換為動能。

化學來源

化學來源是原子處於較高能態的排列，透過化學反應轉換為較低能態，釋放能量差。燃燒是釋放這種能量的最常見方式，占人類總能量使用量的 80% 以上。電池的特點是可逆反應，因此同一個裝置可以多次儲存和釋放能量。

D. 燃料-大氣燃燒

地球大氣，不考慮可變的水蒸氣含量，含有 20.95% 的氧氣 (O₂) 分子，它與許多其他化合物發生反應並釋放能量。這種氧氣是生物光合作用的副產物。在飛機的情況下，碳氫燃料（如煤油）與大氣中的氧氣在發動機中發生反應。由於只有燃料被運送到車內，所以釋放的能量約為 43 MJ/kg，大約是兩種成分都被運送到車內（如典型的火箭）的三倍。大氣中大量的氧氣是不穩定的，因為它具有很強的化學反應性。它在地球上只有在這種形式存在，因為植物不斷地產生它。因此這種能源在其他天體上不可用。相反的選擇在土衛六等擁有碳氫化合物大氣的天體上是可用的。在這種情況下，氧氣可以作為運送成分，與周圍的大氣燃燒。對於主要由 CO₂（金星和火星）組成的大氣，它是燃燒的最終產物，或者對於根本沒有大氣的天體，這種能源是不可用的。

E. 燃料-氧化劑燃燒

傳統火箭的能量來源是燃燒，燃料和氧化劑都來自內部來源。反應能量最高的成分，氫和氧，每公斤推進劑提供 15 兆焦耳。雖然比能低於 D. 燃料-大氣燃燒，但它不受地球大氣的限制。液體火箭發動機還具有非凡的功率重量比。這使得從像行星這樣的巨大天體發射成為可能。燃燒也可以用作輔助動力裝置中的輔助電源。由於能量釋放速率非常高，燃燒在需要高功率水平時非常有用。燃燒發動機的效率通常為 1/3 到 2/3，因此當效率是重要因素時，可能會優先選擇其他方案。

F. 化學電池

電池是一種將儲存的化學能轉換為電能的裝置，在儲能電池中，它還會反轉反應。常見的化學電池示例包括汽車中使用的鉛酸型和許多行動式裝置中使用的鋰離子型。根據電池型別，它們通常儲存的能量小於 1 兆焦耳/公斤，遠小於燃燒。多次迴圈能量進出電池的能力可以彌補較低的能量密度。國際空間站就是一個例子，它使用大型電池在軌道陰影部分提供電力。

燃料電池是一種電池型別，其中反應物儲存在外部儲罐中，而不是密封的電池外殼中。它可以具有很高的比能，因為儲罐與電解質溶液相比重量輕。因此，燃料電池已用於太空專案，例如太空梭軌道器。氫氧燃料電池與電解裝置相結合，可以將產生的水再轉化為氫和氧，從而提供比能在 3-10 兆焦耳/公斤範圍內的儲能。密封電池結構簡單、可靠，可以製成非常小的尺寸。燃料電池具有更高的比能，但它們是更復雜的裝置，因為它們需要閥門以及泵送和儲存各種化學物質的方法。

熱源

熱能是系統由於溫度而具有的內能。它來自構成系統的分子或其他粒子的動能和振動能，以及它們的吸引勢能。熱能可以儲存起來以備後用，也可以從外部能量源中新增以供立即使用。我們感覺到高溫是熱，感覺到更高的溫度是可見光。能量透過傳導、輻射和對流自然地從高溫區域流向低溫區域。當存在溫差時，一些熱能可以轉換為其他形式並使用。例如，蒸汽輪機從熱蒸汽和冷卻出口之間的溫差中發電。

G. 熱儲床

對於像月球表面這樣的地方，白天很長，夜晚也很長，太陽能在一半的時間裡都不起作用。因此，在熱能儲存系統中儲存熱量可能是一個可行的選擇。在白天將熱量輸入岩石，並在晚上將其從岩石中提取以驅動發電機。岩石床被封閉在一個容器中，氣體將熱量傳遞到渦輪機進行發電，並從太陽能收集器中進行儲存。由於岩石可以從當地獲得，因此每單位安裝裝置的儲存能量相當高。月球夜晚的環境溫度非常低，可以透過輻射器和地面以及白天太陽之間的隔熱板來增強這種低溫。因此，儲存溫度和排熱溫度之間的溫差，以及效率，可以相當高。

一些天體，比如地球和木星的衛星木衛一，具有相對較高的內部溫度。由於地表岩石的低熱導率，它們充當天然熱儲床。熱量的來源可能是放射性衰變或潮汐。這種能量可以透過鑽探到高溫區域並利用這些區域與地表溫度之間的溫差來利用。

H. 聚光

許多工業任務都需要加熱，這在太空中很容易透過集中太陽光來完成。例如，對原材料進行加熱以提取揮發物，或維持溫度和生長能力以在火星溫室中生長植物。濃度比決定了可以達到的最大黑體溫度，最高可達光源的溫度。以太陽為例，上限是太陽表面的溫度，5,775 開爾文，減去反射損失和被加熱物體的輻射損失。由於鉭鉿碳化物（已知熔點最高的物質）在 4200 開爾文時熔化，因此聚光太陽光應該足以用於大多數工業過程。

對於太空運輸，反應質量也可以透過聚光太陽光或人造光來加熱。可以比化學反應的排放產物使用更輕的分子，因此可以達到更高的效能。目前，由於沒有足夠強大的雷射，所以它們在推進方面的應用受到限制，但太陽光在太空中隨處可見。

電力來源

電是與電荷存在和流動相關的一組現象。常見的例子包括電流，以電子在導線中移動的形式出現，以及閃電，一種透過風暴中等離子體通道的強大靜電放電。電是一種用途非常廣泛的能源，因為它可以有效地轉換為其他形式，可以控制微量和大量，並且可以相對容易地從一個地方移動到另一個地方。生產和分配電能的方法有很多。

I. 電力線

大多數太空專案都以某種形式使用電能。地球上的專案部分通常是最大的。其中包括生產車輛和航天器的工廠、發射場和控制中心。它們通常從電力傳輸和配電線路網路獲得電力。這通過當地的電線分配到使用點。這三者之間的區別在於功率 P 的規模（以焦耳/秒或瓦特為單位）以及功率移動的電壓和距離。大多數導線都有電阻抗 R，它是使用電壓 V 傳輸電流 I 的難度的度量。它們的關係由以下公式給出

V=IR\qquad and\qquad P=VI

阻抗導致部分能量轉換為熱量。轉換的功率 P 的大小由以下公式給出

P=I^{2}R

當需要高效地輸送能量而不是加熱時，你希望將阻抗加熱降到最低。由於阻抗是材料的屬性，因此根據此公式，你希望使用低電流 I。根據前面的公式，有用功率 P = VI，因此低電流意味著高電壓。因此，長距離線路以更高的電壓執行，並且變壓器根據需要提供電壓變化。

當發電點和用電點之間的距離很大時，同樣的原則也適用於專案的太空部分。此外，質量通常是太空系統的一個因素。因此，除了最大限度地減少來自電阻和變壓器效率的損失外，您還需要最大限度地減少電線的質量。國際空間站就是一個例子，發電和用電之間的平均距離約為 50 米。這是因為空間站被設計為一個零重力實驗室，但太陽能電池板需要旋轉以跟蹤太陽。由於它們相當大，因此它們被放置在兩側，並配有旋轉接頭。此選項主要適用於固定位置，而不是車輛。這個距離並不大，不需要高壓線路來提高效率。未來擁有更長電力線的專案示例包括在月球極地陰影隕石坑中開採水冰。隕石坑邊緣的太陽能電池板可能會有持續的陽光照射，而採礦區則沒有。因此，傳輸線可以彌合這一差距。另一個例子是火星基地的核動力源，用於夜間供電。在這種情況下，為了安全起見，電源與基地其餘部分分開。最後，大型軌道棲息地和工業工廠可能會使用集中式發電機，這些發電機更輕、更有效，並且由於設施的規模，需要更長的電力線。

所有型別的電線都需要與其他系統元件和彼此隔離，以防止漏電、短路、電弧和安全問題。在地球主要存在的真空或非導電性大氣中，可以透過機械間隙和電線的間距來提供隔離。當電線必須緊密間隔時，一個**絕緣體**可以提供隔離，間距和絕緣的組合也可以使用。

J. 電力發電機

一個**電力發電機**將機械能轉換為電能。兩種主要型別是**發電機**，它產生直流電，其中電子在一個方向流動；以及**交流發電機**，它產生交流電，其中電子在交替迴圈中雙向流動。地球上大部分電力是由大型交流發電機產生的。機械能透過旋轉軸進入裝置，磁場的排列在導線線圈中感應出電流。機械能可以來自多種來源。在地球上，它通常來自高壓蒸汽或落水作用於渦輪機，渦輪機的軸連線到發電機。在蒸汽的情況下，它是透過燃燒化石燃料或核反應堆產生的，最近還來自聚光太陽能。越來越多的**風力渦輪機**被用來發電。風使安裝在中心軸上的氣動葉片旋轉，軸連線到發電機。

K. 磁儲存

一些太空專案，例如地球的電磁發射，需要在短時間內提供非常高的電功率水平。這些功率水平可能超過電網的供應能力。磁儲存在更長的時間內積累能量，然後在需要時快速釋放。它使用一個 '超導或高電感/低電阻線圈將能量儲存在磁場中。超導體消除了電阻加熱損失，但需要低溫製冷才能保持超導狀態。對於某些目的，一個冷卻到降低電阻但不是低溫的大線圈可能就足夠了。儲存在磁場中的能量 E（以焦耳計）可以從以下公式得出

E={\frac {1}{2}}LI^{2}

L 是以亨利為單位的電感，I 是以安培為單位的電流。以這種方式儲存能量會導致磁場對線圈的結構負載，因此總儲存量受結構強度的限制。太空中的某些用途，例如脈衝等離子體推進系統，可以從較小的磁儲存單元中受益，以便從較低功率的穩定源產生高功率脈衝。

L. 半導體

**光伏** 電池使用半導體材料將光（通常來自太陽）轉換為直流電。這項技術正在迅速發展，並且有多種材料和技術（圖 1.4-1）。截至 2015 年，使用多層捕獲不同波長光的最佳研究電池的陽光轉換效率已達到 46.0%。太空使用的生產面板由多個電池組成，效率接近 30%，而地球上更常見但成本更低的單層面板的效率通常為 20% 或更低。請注意，地球與太空的效率基於不同的太陽強度和光譜，因為地球大氣層吸收了一些波長。

**熱光伏** 器件將來自任何熱物體的紅外線和可見光轉換為電能。它們使用與光伏電池相似的半導體，但針對較低溫度的來源進行了最佳化。**熱電發電機** 使用半導體將溫差轉換為電能。太空中最常見的用途是使用放射性同位素衰變產生的熱量發電，在太陽能電池板笨重、不可用或光線太暗的地方，例如木星以外的地方。鈽-238 等同位素以穩定的速率產生衰變熱，熱電電池將其轉換為電能。對於太空應用來說，純粹的效率並不是唯一的衡量指標。溫度變化、輻射暴露和比功率（W/kg）也很重要。鑑於過去改進的趨勢，預計半導體器件將繼續改進，至少在短期內是這樣。應該檢查最新資料以瞭解當前效能。

（以下是舊的參考文獻，應更新）

匿名“第十九屆 IEEE 光伏專家會議會議記錄 - 1987”，路易斯安那州新奧爾良，1987 年 5 月 4 日至 8 日。
匿名“NASA 會議出版物 2475：1986 年太空光伏研究與技術：高效率、太空環境和陣列技術”，俄亥俄州克利夫蘭，1986 年 10 月 7 日至 9 日。
Chubb，Donald L.“組合太陽能光伏熱機能量轉換器”，推進與動力雜誌，第 3 卷第 4 期，第 365-74 頁，1987 年 7 月至 8 月。

M. 太陽驅動渦輪機/發電機

在太空中，迄今為止，大多數電力來自光伏發電，因為太陽能電池板重量輕，對於中小型功率來說很簡單。對於大型功率，**布雷頓迴圈** 渦輪機已被提議，因為它們具有潛在的高效率和低質量。渦輪軸然後驅動一個電力發電機。迴圈的高溫和低溫將由太陽聚光器和散熱器面板產生。**斯特林** 型發動機也已被提議用於太空使用。太空中陽光充足，用於集中陽光併為熱機提供燃料的輕質反射器可能比光伏發電重量更輕。

（以下是舊的參考文獻，應更新）

Spielberg，J. I.“太陽能外太空氦熱機”，Appl。物理學通訊，第 4 卷第 4 期，第 279-84 頁，1984-1985 年。

N. 天線陣列

整流天線，或稱為天線整流器，是一種將電磁能量轉換為直流電的天線。單個天線元件可以是偶極天線，在偶極天線的兩臂之間連線一個二極體。入射電磁波會在偶極天線中感應出交變電流。由於二極體只能單向導通，因此會透過直流電。多個天線元件組合成陣列，以捕捉所有入射能量。天線整流器被提議作為遠距離微波能量傳輸系統的接收元件，例如從地球軌道到地面。太空中有更多的太陽能，這導致儘管存在轉換損耗，但在地面上可以獲得更多的淨能量。該波束還可以從地面傳輸到軌道，為衛星供電。

偶極天線的長度與入射能量的波長成正比。原則上，微觀天線陣列可以透過與積體電路相同的製造方法來製作。這將允許直接轉換紅外或可見光。小型天線還處於研究的早期階段。它們在遠距離傳輸方面的優勢在於，在給定距離內，發射器更小。相比之下，微波技術發展成熟，高效率的天線整流器轉換已經得到驗證。

波束源

熵是衡量系統無序程度的指標。方向性能量波束的熵很低，因為波束高度有序（平行）。可以從低熵系統中提取有用功。這會導致熵（無序）增加，通常表現為處於熱平衡狀態的原子的隨機運動和隨機熱輻射。波束可以是自然的或人工的，由電磁波或粒子組成。能量波束可用於各種型別的波束推進，或為更靜止的活動供電。

O. 陽光

隨著與太陽距離的增加，大約在 1400 萬公里或更遠的地方，陽光變得高度方向性。源頭，直徑為 1392 萬公里，然後填充天空中的一個小角度部分。在地球距離處，它看起來有 0.5 度寬。小角度允許定向反射作為一種受控的推進方法。它還允許透過透鏡或鏡子進行集中，以產生用於工業或推進目的的高溫。該來源包括直接使用陽光，而電氣來源下的專案則是指將陽光轉換為電能。

太陽的中心溫度約為 1570 萬度 K，核心密度約為 160,000 公斤/立方米。在這些條件下，氫會發生核聚變生成氦，釋放出 3.846 x 10²⁶ 瓦的能量。這種能量從核心向表面移動，此時溫度降至 5780K。在這一點上，強度為 63.1 兆瓦/平方米。在更遠的距離處，相同的能量流分佈在更大的球形表面上，在地球處達到 1362 瓦/平方米。

在超過 550 個天文單位的距離處，太陽充當引力透鏡，將其他恆星的光匯聚到一個焦點。從太陽邊緣更遠處經過的光彎曲程度更小，並且在更遠處匯聚。這會從天空中的每顆其他恆星或光源建立一個集中光的徑向焦點線。同樣的過程也發生在其他所有有可見鄰近恆星的恆星周圍。這些星線可能足夠強烈，因為它們將來自一顆恆星整個圓周的光集中到一個點。

P. 雷射

雷射透過受激輻射光放大過程發射光。雷射的輸出是相干的和準直的，使其能夠被緊密聚焦，或在長距離內傳播而不會散開。輸出也可以在非常窄的波長範圍內。由於波長狹窄，它可以有效地耦合到吸收器，或用於該特定波長的高反射率反射器。它也可以高效地耦合到光伏器件。作為推進的能量來源，它可以提供比恆星等自然來源更強烈的光。人們曾提議從地球發射高功率雷射，但目前還沒有足夠功率的雷射來實現這種實際應用。低功率雷射可以增強照射在航天器太陽能電池板上的自然陽光。有人建議利用太陽的引力聚焦的超高功率雷射為星際飛船提供動力，但這項用途將在遙遠的未來。

Q. 微波

此能量來源涉及直接使用微波束，而專案 N. 天線整流器陣列將其轉換為電能。微波束可以被吸收並直接轉換為熱量，也可以用於產生光子壓力。任何合適的波長都可以用來產生定向能量波束。但是，某些波長會被地球或其他大氣吸收。較短的波長更容易聚焦，因為這取決於天線尺寸與波長的比例。產生較短波長的效率通常較低，並且可能無法獲得具有足夠功率以供實際使用的發電機。微波頻段裝置已經足夠發達，不會受到這些限制。

R. 中性粒子

粒子束是一種準直的高能粒子流，用於將能量從一個地方傳遞到另一個地方。該概念最初是作為武器開發的，但更低致命劑量的能量可以用作能源。帶電粒子，例如粒子加速器中的質子相互排斥，因此一旦離開加速器的束縛，束就會散開。為了防止這種情況，帶電粒子被允許與電子結合形成中性原子，或者使用中性粒子，如中子。粒子束處於發展的早期階段，主要用於軍事用途，而不是能量傳遞。

核源

核能源涉及一種或多種型別的原子核的變化，並釋放出淨能量。原子核中的質子和中子由強核力束縛在一起。它們的排列方式發生改變通常會涉及比重新排列電子（化學反應所做的事情）多一百萬倍的能量。因此，核能源具有非常強大的潛力。雖然太陽透過核聚變執行，但我們認為它是一個光能來源。聚變發生在太陽的核心，在那裡它是無法觸及的，而到達我們的是來自表面的黑體輻射。

S. 放射性衰變

放射性衰變是不穩定原子核透過發射粒子或電磁能量自發改變的過程。不穩定的天然元素是在太陽系形成之前產生的，很可能是在超新星爆炸中產生的。那些不太不穩定的元素，如鈾和釷，在數十億年後仍然存在，並繼續以穩定的速率衰變。人工放射性物質，如鈽-238，是在核反應堆或粒子加速器中產生的。它們不太穩定，因此衰變速度更快（鈽-238 的半衰期為 88 年）。這種元素在新鮮時透過放射性衰變產生 500 瓦/公斤的熱量，使其成為有用的能源。它已在許多行星探測任務中用於此目的。其他在自然狀態下具有很長衰變時間的元素太弱，無法用作能源。

[這是一箇舊的參考，應該更新]

Lockwood, A.; Ewell, R.; Wood, C. "Advanced High Temperature Thermo-electrics for Space Power", Proceedings of the 16th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, v 2 pp 1985–1990, 1981.

T. 核裂變

某些元素的自然衰變率很低，可以透過人工方法提高。核反應堆是一種以受控方式進行此操作以產生能量的裝置。主要有兩種方法：核裂變，將重原子核分裂成更小的部分，以及核聚變，將較輕的原子核合併形成較重的原子核。這兩種方法的原因可以在核結合能（圖 1.4-2）中找到。較高的結合能意味著粒子結合得更緊密，更穩定，因此在形成該原子核時可以釋放能量。結合能以鐵-56 為峰值，因此從輕端（聚變）或重端（裂變）向中間的反應都會產生能量。裂變反應堆是地球上重要的電力來源。在太空中，已經使用過一些小型反應堆，並且正在努力開發更高功率需求的大型反應堆。

[這些是舊的參考文獻，應該更新]

El Genk, M.S.; Hoover, M. D. "Space Nuclear Power Systems 1986: Proceedings of the Third Symposium", 1987.
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Buden, D.; Trapp, T. J. "Space Nuclear Power Plant Technology Development Philosophy for a Ground Engineering Phase", Proceedings of the 20th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference vol 1 pp 358-66, 1985.

U. 人工核聚變

自然聚變發生在恆星中，產生的光輸出已經在上面針對束縛功率源進行了討論。此項是針對人工能源的。聚變在核彈中短暫地實現過，但穩定狀態執行已被證明很困難。研究最多的方法是使用託卡馬克，這是一種環形的磁場，可以容納熱等離子體。這種方法還沒有產生工作裝置，儘管已經建造或正在建造各種研究機器。託卡馬克型動力反應堆對於合理的推進系統來說太大了。對於固定專案而言，它在另一個星球上和在地球上一樣合理。許多替代性間歇性和穩定狀態聚變裝置正在進行不同程度的研究，但所有這些裝置的資金都遠低於投入托卡馬克型裝置的工作。其中一些可能會產生足夠輕的裝置用於推進。

所有聚變反應都將輕原子核結合成更重的原子核。如圖 1.4-2 所示，最大的能量釋放發生在前幾個元素中，從氫到硼。實現聚變需要將帶正電的原子核足夠靠近，以克服它們的靜電斥力，讓核力接管。這需要相當於數百萬攝氏度的溫度，或粒子動能達到數十千電子伏特（keV）。

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V. 介子催化聚變

介子催化聚變是一種在遠低於數百萬攝氏度的溫度下催化聚變反應的方法。一束介子被引導到氘/氚混合物中，在那裡它們引起多次聚變反應。這使氣體加熱，然後可以驅動發電機發電。雖然這種方法和基於它的更復雜的系統從物理角度來看是合理的，但從工程角度來看，還沒有開發出實用的系統。目前，它必須被視為一種可能的未來能源。

W. 核爆炸

不幸的是，爆炸性的核武器已經發展得非常成熟。人們提出了各種概念來利用它們的高能量輸出進行太空專案。這些包括核動力發射裝置，其中爆炸物在地下室加熱氣體。然後，它將彈丸向上推入炮管。另一個想法是在航天器後面引爆小型核爆炸，用爆炸波直接推動它。這些概念目前還處於推測階段，因為無法在地球上安全地對其進行測試，而且條約禁止在太空使用核武器。

物質轉換源

在物理學中，質能等價是質量與能量透過公式 E = mc² 相關的概念。由於光速 c 很大——2.998 億米/秒，平方非常大：8.9875 x 10¹⁶ 焦耳/公斤。這等於每公斤質量轉換為能量的核電站 2.85 年的輸出。理論上，物質總轉換提供每單位質量最高的能量。然而，在實踐中，這並不容易。

X. 反物質

反物質由反粒子組成，反粒子的質量與普通粒子相同，但電荷和其他性質相反。當粒子與反粒子相遇時，它們會相互湮滅，並轉化為其他粒子或光子，在此過程中釋放大量能量。我們的宇宙幾乎完全由物質構成。因此，要使用這種物質作為能源，需要人工製造。這至少需要與湮滅後釋放的能量一樣多的能量。因此，反物質是一種極端的能量儲存形式。今天，反物質在粒子加速器中以少量製造，並用於物理學研究。我們還沒有實際的方法來製造和儲存足夠大量的反物質用於太空專案。從概念上講，航天器會儲存一定量的反物質，然後用它來產生能量用於推進。如果儲存系統足夠輕，那麼每單位質量的能量將高於核聚變或其他方法。

[這些是舊的參考文獻，應該更新]

Hora, H.; Loeb, H. W. "Efficient Production of Antihydrogen by Laser for Space Propulsion", Z. Flugwiss. Weltraumforsch., v. 10 no. 6 pp 393-400, November-December 1986.
Forward, R. L., ed. "Mirror Matter Newsletter", self published, all volumes, contains extensive bibliography.

Y. 黑洞

黑洞是時空中一個引力非常強大的區域，以至於任何東西都無法從內部傳播到外部。黑洞可以進行兩種形式的能量提取。第一種是吸積能量，它是由於黑洞周圍吸積盤中的物質因摩擦而加熱並釋放能量而產生的。它本質上是將勢能轉化為熱能。由於黑洞的引力勢能極強，因此這可以釋放大量能量。第二種是霍金輻射，它透過假設的量子黑洞的量子隧穿產生。黑洞可以透過一顆大質量恆星在其生命末期坍縮而形成，或者透過星系中心足夠緻密和巨大的區域而形成。量子黑洞更小，據推測是在宇宙誕生時形成的。已知最接近的恆星質量黑洞距離地球 2800 光年，而量子黑洞尚未被發現，也沒有已知的方法可以製造它們。因此，目前使用黑洞進行太空專案是理論上的。