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一节核电池比战斗机还贵,真能用1万年吗?60年前已在汽车试验

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太空探测器是人类揭开宇宙神秘面纱最有效的工具,探测器上会携带很多精密仪器,对探测对象开展科学研究,那你是否思考过,这些仪器到底是如何工作的?

对于地球上的精密仪器而言,必须通电才能够工作,同样,就算是这些精密仪器被搬到太空,依然离不开电能。


最早,航天的太空探测器都是采用太阳能提供能量,免费还相对好用的东西不用白不用。

不过,免费的东西还是有弊端,一旦探测器进入星球的背面,就彻底没有了能源,整个设备不仅无法工作,而且太空低达-270℃的温度,低温状态下,这些仪器会损坏。

纵观世界范围内,能在太空中利用的能源中,目前只有核电池是寿命最长,稳定性最好的。


小发电站

其实,核电池用到探测器上已经不是什么新闻了,早在几十年前,美俄冷战时期就有大量航天器使用核电池。

其实,核电池并不是严格意义上的电池,它的全称是放射性同位素热电发生器,简称RTG。


核电池的原理并不难,跟核发电站有异曲同工之妙,它利用了放射性元素衰变过程中产生的热能,热能推动发电设备工作,产生电能,

航天器上采用的核电池一般是放射性元素钚-238。

钚的威力比铀还要大,钚和铀都是原子弹的材料,当年,美国在日本广岛用的是铀原子弹,在长崎用的是钚原子弹。


不过核电池用的钚和原子弹不同,原子弹的钚是钚-239(239Pu),而大部分RTG则使用钚的另一种同位素钚-238(238Pu),它比前者的原子核中少一个中子。

少了这颗中子非常重要,钚-238不会爆炸。

顺便说一句,1940年末,美国科学家麦克米伦用60英寸回旋加速器加速的氘核,在轰击铀时发现钚238,次年发现了钚-239,四年过后,就用钚-239就毁灭了长崎市。


真正将钚-238用到太空探测器是在美阿波罗计划。

钚-238衰变

一般来说,放射性元素衰变包括阿尔法衰变、贝塔衰变和伽马衰变,不过,衰变没有聚变那么厉害。


钚-238衰变过程中,仅会释放一个氦-4原子核(α粒子),当然这一过程属于α衰变。


每克钚-238在衰变的过程中,自发产生的热量可以产生0.568W的电能。


核电池有多贵

由于钚-238是在高速器中人工合成的,这个合成的过程,成本极高,就目前来看,美俄有能力大规模生产。

所以,核电池的热电转换效率非常重要,比如美好奇号毅力号核电池效率达到6.3%,在核电池领域算是效率很高的,如果转换率低化,意味着需要更多钚-238,成本会更高。

那一个核电池组件究竟有多贵呢?

美毅力号探测器


美国当地时间2月18日下午,美国毅力号火星探测器成功登陆火星,成为美国第五个成功登陆火星的探测器,毅力号此行有一个重要目的,采集火星样本,试图找到有生命存在的证据。


美国火星探测器毅力号,毅力号中有一个火星漫游车,重量达到1.03吨,长度接近3米,整个尺寸与小汽车差不多,它采用了RTG核电池,整个电池用了4.8公斤钚氧化物,总重量达到了45公斤,功率仅为110W,设计寿命14年,造价达到了7000万美元。


▲毅力号漫游车(圆圈为核电池)

一个核电池的价格比俄罗斯最贵战机米格35还要贵,确实是太贵了。


天问一号没有核电池晚上怎么办?

上一节说的美国毅力号是在今年7月30日发射,而我国的天问一号是在7月23日发射的,它们共同的目的都是火星。

那么问题来了,美毅力号漫游车可是携带了核电池,我国天问一号仅携带了太阳能电池板,而火星表面,晚上温度为零下70度,天问一号保温成了一个比较大的问题,它晚上该如何过夜呢?


我国航天人另辟蹊径,采用了相变保温系统,以正十一烷为工质,白天温度高时,正十一烷吸热变成液态存储能量,到晚上,正十一烷由液体凝固为固体释放热量,给机器设备保温。


▲正十一烷相变保温系统的集热窗,位于火星车背部

不过,按照探测器发展规律来看,我国探测器还是循序渐进,毕竟航天大国美国,也是慢慢才引进核电池。

核电池寿命

放射性元素寿命到底有多大,真的像有些人所说的无限寿命吗?

目前而言,就航天器上的核电池来看,别说无限寿命了,能够达到100年就不错了。


核电池的寿命是由其放射元素决定,一般太空探测区都采用钚-238,而钚-238的半衰期是87.7年,当87.7年过后,核电池中钚-238一半数量衰变成钚-234,这也就意味着发电的钚-238减少了一半,能量同样也会减半。

也就是说,核电池的使用寿命是87.7年,这个时间用在太空探测器刚刚好,执行任务的时间足够了。


航天技术可否民用

经常看到新闻报道,很多高精尖的航天技术,转移到民用方面。

毅力号火星漫游车,长有3米,重量达到1.03吨,与现在路上跑的汽车尺寸和重量差不多,如果将这个技术民用,基本达到永动机级别了,不需要充电和加油,可行吗?


先来看下,1957年美国福特公司曾经做过第一款核动力汽车,当时就做了一个外壳,拍了概念照片,一直没落地。


距离福特公司的核电池概念汽车已经过去60多年了,那现在技术是不是更进一步?我们来进行一个简单的推理。

驱动一台汽车正常运行约需要50Kw以上,这个功率是毅力号电池450倍,仅电池重量就要2160公斤,造价更是达到315亿美元,这还是抛开辐射问题的情况。

因此,就目前来看,核动力电池依然是不可行的。


写在最后

考虑到核电池的种种因素,航天技术要用到民用上,还有很长时间的路要走。


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