一塊電池用半個世紀，遨遊宇宙就靠它了

出品：科普中國

製作：寒木釣萌

監製：中國科學院計算機網路信息中心

火星上的機遇號探測器，花邊新聞可真不少，原因是NASA不斷放出新聞，今天說它遇到沙塵暴，得不到足夠的陽光導致電力不足，怠工；過段時間又說它正在獲得越來越多的陽光，但是，因為太陽能面板上的塵埃太多需要清除，怠工……

瞧，這就是太空探索使用太陽能的局限，那麼，如果使用核能呢？

最成功的典範

一想到外太空的能源獲取，不少人第一個想到的是外太空沒有大氣層遮擋，陽光猛電力足。但是，如果我們仔細分析，在宇宙探索上，核能實在是要比太陽能優越得多！

從各行星上看太陽的視角大小對比

上圖是太陽系各大行星的視角大小對比，可以看見，在火星上還好一些，太陽並不比從地球看上去小多少，但是如果想在探索土星、天王星、海王星還有矮行星冥王星的時候使用太陽能，不是說不可以，而是難度實在是太大了，幾乎沒有可行性。

怎麼辦？難道人類的太空探索只能局限於水星、金星和火星？顯然，這是不可能的，而此時，核能的使用已經不再是一個可選方案，它是一個必選方案。

實際情況也如此：

探索土星的「卡西尼－惠更斯號」上使用了核電池

探索冥王星的「新視野號」也使用了核電池

除了以上探測器，使用核電池的探測器還有旅行者1號、旅行者2號、尤利西斯號，還有好奇號火星車等等。

旅行者1號1977年9月5日發射升空，至今已飛行38年多。2015年，旅行者1號距離地球超過199億千米，這相當於地球到太陽的133倍。如果你從旅行者1號上看太陽，你會發現，太陽的亮度已經跟一個普通的星星沒什麼區別了。此時，旅行者1號周圍是一片黑暗的太空，無法獲取太陽能，所以，如果我們把希望寄托在太陽上，就會使我們的宇宙探索只能局限於太陽系中的一個小範圍。

按照NASA的說法，旅行者1號已經離開太陽系，信號雖然以光速傳播，但從旅行者1號上傳到地球也需要18個半小時，即使如此，它也還在不斷地為人類送來太陽系邊緣的信息，這種狀態將持續到2025年，直到它上面的核電池不再工作。

從1977到2025年，這期間足足48年，接近半個世紀，如此漫長的工作時間，除了核電池，還有什麼電池能代替它呢？目前沒有。

核電池與核電站的區別

核電站發電，核電池也發電，兩者有何區別？

區別一：

核電站的反應堆，裡面主要進行的是裂變反應，也就是在一個中子的轟擊下，鈾235分裂成兩個中等大小的原子核，並放出兩到三個中子。

而核電池主要使用鈈238，通過鈈238的自身衰變，放出阿爾法粒子併產生熱量。這熱量被用來發電。

圖為鈈238

圖為鈈238

鈈是第94號元素，它是自然界中天然存在的質量最重的元素，比鈾還要重。其穩定的同位素是鈈244，半衰期大約是八千萬年。

而鈈238的半衰期為87.74年，衰變時釋放阿爾法粒子，同時放出大量熱，這使得即使它的量很少，鈈238在某些條件下也能自燃。

鈈能自燃，這使它看起來就像一塊還在發光的餘燼。

1千克鈈238的熱功率相當於一個570瓦功率的電爐，且持續時間以數十年計，從不間斷。

好奇號上採用的核電池，也是利用鈈-238，在任務初期可以在任何狀況下穩定地提供大約125瓦的功率輸出，而14年後功率還可以保持在100瓦左右。

區別二：

核電站中裂變產生的熱，是通過冷卻劑循環把熱量帶出來，接著冷卻劑加熱第二迴路的水，產生高溫蒸氣衝擊汽輪機並發電。而核電池是採用熱電效應來發電。

我們先來演示一下熱電效應：

上圖中的兩個杯子，左面的裝著冷水，右邊的一會兒加入熱水。

把熱水倒入右邊的杯子中

電風扇開始轉動了

金屬中都有自由電子，而自由電子具有的能量和速度各不同，什麼因素能決定電子的能量和速度？熱是一個重要的因素之一，當金屬導體的兩端有溫度差異時，電子更容易從熱的那一端擴散到冷的那一端，形成電壓，這就是熱電效應。

熱電效應示意圖

圖為「卡西尼－惠更斯號」上的核電池，1997年10月升空的「卡西尼－惠更斯號」，攜帶有3塊核電池，核電池燃料為鈈238，它被製成二氧化鈈的陶瓷壓塊，1997年時可提供880瓦的功率，十多年後，也就是2010年，「卡西尼－惠更斯號」上的核電池還能提供670瓦的功率。

圖為旅行者1號上的核電池，中間暗紅色的部件為二氧化鈈。

圖為宇航員艾倫?賓從阿波羅12號上取出的核電池的畫面。實際上，從阿波羅12號，一直到阿波羅17號都使用了核電池，型號為SNAP-27。

被遺棄在月球上的核電池SNAP-27，其使用了3.8千克的鈈238，熱能功率達1480瓦，轉化的電功率為73瓦。

核電池熱電轉化率不是很高，然而，核電池也不光只可以用來發電，尤其是在月球上，長達半個月的黑夜，其溫度可達零下兩百多攝氏度。而核電池提供的熱能可以使航天器上的某些敏感部件經受住低溫的考驗。

另外，前段時間上映的電影《火星救援》，裡面的男主角也是在火星上挖出了之前埋在火星上核電池取暖，這才得以開車遠行的。

左起第一個為機遇號火星車，第二個像一個玩具車，它是探路者號，中間為工程師，最右邊的是好奇號，好奇號沒有使用太陽能面板，依靠核電池供電，你瞧它那塊頭。

核電池讓好奇號擁有充足的能量，使它得以發射激光融化岩石以供研究。

圖為好奇號上的核電池

從1961年核能第一次應用於太空，到現在已有半個多世紀，如今，人類在太空探索中正越來越多地利用核能。在未來，人類若想在太空探索上取得更多的進步，或者說若想衝出太陽系，遨遊並探索外面的精彩宇宙，那麼核技術和核能是一個必選的方案。

也許這就是事實，靠山吃山離不開山，靠海吃海離不了海。

擺脫不了對太陽光的依賴，又怎能沐浴在另一顆恆星的光芒下？

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