鉅大LARGE | 點擊量：592次 | 2021年11月02日
一塊電池用半個世紀(jì)，遨游宇宙就靠它了
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(dǎo)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要清除，怠工……
瞧，這就是太空探索使用太陽能的局限，那么，假如使用核能呢？
最成功的典范
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，假如我們仔細分析，在宇宙探索上，核能實在是要比太陽能優(yōu)越得多！
從各行星上看太陽的視角大小比較
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
上圖是太陽系各大行星的視角大小比較，可以看見，在火星上還好一些，太陽并不比從地球看上去小多少，但是假如想在探索土星、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。
怎么辦？難道人類的太空探索只能局限于水星、金星和火星？顯然，這是不可能的，而此時，核能的使用已經(jīng)不再是一個可選方法，它是一個必選方法。
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年九月五日發(fā)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(dāng)于地球到太陽的133倍。假如你從旅行者1號上看太陽，你會發(fā)現(xiàn)，太陽的亮度已經(jīng)跟一個普通的星星沒什么差別了。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，假如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于太陽系中的一個小范圍。
按照NASA的說法，旅行者1號已經(jīng)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(tài)將持續(xù)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(jì)，如此漫長的工作時間，除了核電池，還有什么電池能代替它呢？目前沒有。
核電池與的差別
發(fā)電，核電池也發(fā)電，兩者有何差別？
差別一：
的反應(yīng)堆，里面重要進行的是裂變反應(yīng)，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，并放出兩到三個中子。
而核電池重要使用钚238，通過钚238的自身衰變，放出阿爾法粒子并出現(xiàn)熱量。這熱量被用來發(fā)電。
圖為钚238
圖為钚238
钚是第94號元素，它是自然界中天然存在的質(zhì)量最重的元素，比鈾還要重。其穩(wěn)定的同位素是钚244，半衰期大約是八千萬年。
而钚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，钚238在某些條件下也能自燃。
钚能自燃，這使它看起來就像一塊還在發(fā)光的余燼。
1千克钚238的熱功率相當(dāng)于一個570瓦功率的電爐，且持續(xù)時間以數(shù)十年計，從不間斷。
好奇號上采用的核電池，也是利用钚-238，在任務(wù)初期可以在任何狀況下穩(wěn)定地供應(yīng)大約125瓦的功率輸出，而14年后功率還可以保持在100瓦左右。
差別二：
中裂變出現(xiàn)的熱，是通過冷卻劑循環(huán)把熱量帶出來，接著冷卻劑加熱第二回路的水，出現(xiàn)高溫蒸氣沖擊汽輪機并發(fā)電。而核電池是采用熱電效應(yīng)來發(fā)電。
我們先來演示一下熱電效應(yīng)：
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(fēng)扇開始轉(zhuǎn)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，什么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(dāng)金屬導(dǎo)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(yīng)。
熱電效應(yīng)示意圖
圖為“卡西尼－惠更斯號”上的核電池，1997年十月升空的“卡西尼－惠更斯號”，攜帶有3塊核電池，核電池燃料為钚238，它被制成二氧化钚的陶瓷壓塊，1997年時可供應(yīng)880瓦的功率，十多年后，也就是2010年，“卡西尼－惠更斯號”上的核電池還能供應(yīng)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钚。
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3.8千克的钚238，
熱能功率達1480瓦，轉(zhuǎn)化的電功率為73瓦。
核電池?zé)犭娹D(zhuǎn)化率不是很高，然而，核電池也不光只可以用來發(fā)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。而核電池供應(yīng)的熱能可以使航天器上的某些敏感部件經(jīng)受住低溫的考驗。
另外，前段時間上映的電影《火星救援》，里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(fā)射激光融化巖石以供研究。
圖為好奇號上的核電池
從1961年核能第一次應(yīng)用于太空，到現(xiàn)在已有半個多世紀(jì)，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，或者說若想沖出太陽系，遨游并探索外面的精彩宇宙，那么核技術(shù)和核能是一個必選的方法。
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恒星的光芒下？
