鉅大LARGE | 點擊量：1563次 | 2021年11月18日
NASA核電池技術取得重大突破，最快明年投入使用
對不少人來說，核電池很可能是一個似懂非懂的概念?，F(xiàn)在，我們就借著NASA在核電池技術上的最新突破，來好好了解一下這個“電池”到底是什么樣子的。
JPL的一位材料工程師手里拿著一個有4個熱電偶構成的熱電模塊。熱電偶很普遍，從家用電器到航天器都有應用。
太空中既沒有充電站，也沒有那么長的充電線可以從地球獲取電力。所以，高效、靈活而持久的電力系統(tǒng)一直是太空旅行的研究熱點。
“NASA要長期可靠的電力系統(tǒng)來探索太陽系，”NASA噴氣推進實驗室（JetPropulsionLaboratory，JPL）的讓·皮埃爾·弗勒里埃爾（Jean-PierreFleurial）說，“這對探索太陽系外圍行星尤其重要，那里太陽光的強度只有地球軌道的幾個百分點?！?/p>
核電池是重要的太空能源之一
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
當太陽無法供應免費午餐的時候，太空飛行器們就只能自帶“盒飯”，而核電池正是一份性能優(yōu)異的“盒飯”。
首先必須先說明一點，我們現(xiàn)在說的這個核電池里，即沒有發(fā)生裂變反應，也沒有發(fā)生聚變反應，唯一有的只是衰變反應。
放射性元素在進行衰變時會出現(xiàn)熱量，這個時候假如配以熱電材料，就能夠將這些熱能轉化為電力。因此，這種核電池的專業(yè)名稱應該是放射性同位素熱電發(fā)電機（簡稱RTG），以下為了方便描述，統(tǒng)稱為核電池。
核電池系統(tǒng)（學名放射性同位素電力系統(tǒng)）正是基于這個原理來驅動太空飛船。NASA核電池系統(tǒng)所用的“燃料”（即放射性物質）為钚-238的氧化物。
由于核電池的關鍵技術是將熱能轉化成電能，所以尋找好的熱電材料顯得至關重要。
方鈷礦材料（skutterudites）由于其優(yōu)異的熱點性能，成為了現(xiàn)今太空電力系統(tǒng)研究的大熱點，這種先進材料也是下一代電力系統(tǒng)eMMRTG的主角。
所謂eMMRTG即“EnhancedMulti-MissionRadioisotopeThermoelectricGenerator”，增強型多任務放射性同位素熱電發(fā)電機，說的再通俗一點，我們可以叫它增強型多任務核電池。
根據(jù)NASA官網(wǎng)十月十三日的報道，最新基于方鈷礦材料的核電池將有望用于2017年“新疆界計劃”（NewFrontiers）的最新任務。
當方鈷礦遇到核電池
1961年，美國首次將核電池應用于人造衛(wèi)星。1977年，NASA發(fā)射了兩個攜帶核電池的姊妹探測器：旅行者1號和旅行者2號。
如今，距地球160億公里的旅行者號是航行最遠距離的探測器，而且它們仍在向宇宙更深處探索。時至今日，核電池已經(jīng)助力航天器完成了許多科學任務，其中包括2012年登陸火星的好奇號和2015年掠過冥王星的新視野號。
據(jù)悉，新型的eMMRTG核電池效率更高，能夠供應的電力要比裝在最新的火星車“好奇號”上的核電池多25%。而且，方鈷礦的自然降解率比目前MMRTG材料要慢。目前普通核電池的壽命大約為17年，假如用方鈷礦，則電池壽命可以上升一倍。
方鈷礦材料制成的熱電偶將大幅提高現(xiàn)有核電池的性能
“有了更高效率的熱電系統(tǒng)就可以減少對钚的依賴，我們也可以達到更深遠、更持久、更多元的目標，”噴氣推進實驗室的技術專家沙巴斯·布克斯（SabahBux）說。
eMMRTG中的第一個“e”代表了“增強”（enhanced），而事實上，這個增強完全是由擁有獨特性質的方鈷礦材料帶來的。
那么方鈷礦材料的神奇之處到底是什么呢？
熱電材料往往要求高導電性和低導熱性，這在普通材料中一般很難兼得。比如說，銅的導電性很強，但導熱系數(shù)卻太大；玻璃的絕熱性很好，但卻不導電。因此，它們都不是理想的熱電轉換材料。
而方鈷礦導電能力堪比金屬，但傳熱性又如同玻璃，此外，它可以出現(xiàn)很高的電壓，簡直就是為熱電材料而生的。
“我們要導電性與絕熱性兼具的高溫材料，”布克斯說，“方鈷礦具有非常復雜的晶體結構（偏方復十二面體，聽起來是不是就很復雜），它正是我們要的理想材料?！?/p>
方鈷礦兼具金屬的導電性和玻璃的熱絕緣性
從太空到地球
基于方鈷礦材料的巨大優(yōu)勢，JPL正在研究如何將方鈷礦做成熱電偶。熱電偶是利用原件內部溫差而出現(xiàn)電壓的裝置。與其它材料相比，方鈷礦熱電偶能以較小溫差出現(xiàn)同等電力。因此方鈷礦熱電偶的熱電效率更高。
好奇號的電力系統(tǒng)采用的是MMRTG。768根碲合金制成的熱電偶朝同一方向圍成一圈，都對著發(fā)電機中心的熱源（即衰變原料儲藏器）。增強型MMRTG，即eMMRTG系統(tǒng)熱電偶數(shù)量同樣是768，不同的只是材料換成了方鈷礦。
2015年底，方鈷礦熱電偶通過了NASA的首次審查。假如它能在2017年和2018年通過進一步審查，eMMRTG將被用來執(zhí)行NASA“新疆界計劃”的下一個任務。
除了用以太空計劃外，熱電材料在地球上的應用前景同樣廣闊。
“方鈷礦可以將廢熱轉化為有用電力，進而提高能量效率，”JPL的一位負責人說道。
從太空到地球，高性能熱電材料的應用無處不在
比如，將汽車尾氣的熱量轉化為電能可以給汽車電池充電，這樣汽車還能更省油。像陶瓷和玻璃處理等高溫環(huán)境的工業(yè)進程同樣可以用方鈷礦收集廢熱。2015年，紐約一家公司就從JPL獲得了高溫熱電材料的專利許可。
“過去20年內，熱電領域蓬勃發(fā)展，這在JPL尤為明顯，”弗勒里埃爾說，“這方面和很多重大科學突破。這種材料不但能應用于領域，同時還能造福美國工業(yè)，我們感到很榮幸?！?/p>
原理解釋
何謂熱電材料？
熱電材料是能將材料溫差與電能相互轉換的材料。
何謂熱電偶？
傳統(tǒng)熱電偶有兩種不同熱電材料連接而成。當熱電偶受熱時，兩種不同導熱率的材料有不同的溫度，在連接點就形成了溫差。這種溫度梯度會導致電子定向移動而出現(xiàn)電動勢，將部分熱能轉換為電能。
熱電偶是如何工作的？
熱電偶在日常生活中很普遍，熱水器、電烤箱都有用到熱電偶。家用電器的熱電偶效率一般很低，它們出現(xiàn)的電壓很小，電流也極其微弱。與之相比，方鈷礦熱電偶的效率要高得多，它在很小的溫差下就能出現(xiàn)有效電壓。
NASA希望方鈷礦熱電偶內部出現(xiàn)的電力是方波型的，有明顯的上升沿和下降沿以及平頂段。熱電偶的熱量從高溫端傳到低溫端，在導體端部幾乎沒有電流，在熱電偶中間卻有穩(wěn)定均勻的電流。
“這就像有一冷一熱兩個相鄰的房間，”JPL的布克斯說，“人群（電子）從熱房間像冷房間轉移。人群（電子）定向移動就形成了電流?！?/p>
將很多熱電偶再相互連接起來，就會獲得可觀的電流。熱電偶使用的熱源也很多樣，溫度從200℃到1000℃不等。
