中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：對(duì)不少人來(lái)說(shuō)，核電池很可能是一個(gè)似懂非懂的概念?，F(xiàn)在，我們就借著NASA在核電池技術(shù)上的最新突破，來(lái)好好了解一下這個(gè)“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(gè)有4個(gè)熱電偶構(gòu)成的熱電模塊。熱電偶很普遍，從家用電器到航天器都有應(yīng)用。
太空中既沒(méi)有充電站，也沒(méi)有那么長(zhǎng)的充電線(xiàn)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(diǎn)。
“NASA需要長(zhǎng)期可靠的電力系統(tǒng)來(lái)探索太陽(yáng)系，”NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的讓·皮埃爾·弗勒里埃爾（Jean-Pierre Fleurial）說(shuō)，“這對(duì)探索太陽(yáng)系外圍行星尤其重要，那里太陽(yáng)光的強(qiáng)度只有地球軌道的幾個(gè)百分點(diǎn)?！?
核電池是重要的太空能源之一
當(dāng)太陽(yáng)無(wú)法提供免費(fèi)午餐的時(shí)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(shuō)明一點(diǎn)，我們現(xiàn)在說(shuō)的這個(gè)核電池里，即沒(méi)有發(fā)生裂變反應(yīng)，也沒(méi)有發(fā)生聚變反應(yīng)，唯一有的只是衰變反應(yīng)。
放射性元素在進(jìn)行衰變時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，這個(gè)時(shí)候如果配以熱電材料，就能夠?qū)⑦@些熱能轉(zhuǎn)化為電力。因此，這種核電池的專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)應(yīng)該是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)RTG），以下為了方便描述，統(tǒng)稱(chēng)為核電池。
核電池系統(tǒng)（學(xué)名放射性同位素電力系統(tǒng)）正是基于這個(gè)原理來(lái)驅(qū)動(dòng)太空飛船。NASA核電池系統(tǒng)所用的“燃料”（即放射性物質(zhì)）為钚-238的氧化物。
由于核電池的關(guān)鍵技術(shù)是將熱能轉(zhuǎn)化成電能，所以尋找好的熱電材料顯得至關(guān)重要。
方鈷礦材料（skutterudites）由于其優(yōu)異的熱點(diǎn)性能，成為了現(xiàn)今太空電力系統(tǒng)研究的大熱點(diǎn)，這種先進(jìn)材料也是下一代電力系統(tǒng)eMMRTG的主角。
所謂eMMRTG即“Enhanced Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator”，增強(qiáng)型多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)，說(shuō)的再通俗一點(diǎn)，我們可以叫它增強(qiáng)型多任務(wù)核電池。
根據(jù)NASA官網(wǎng)10月13日的報(bào)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(jì)劃”（New Frontiers）的最新任務(wù)。
當(dāng)方鈷礦遇到核電池
1961年，美國(guó)首次將核電池應(yīng)用于人造衛(wèi)星。1977年，NASA發(fā)射了兩個(gè)攜帶核電池的姊妹探測(cè)器：旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)。
如今，距地球160億公里的旅行者號(hào)是航行最遠(yuǎn)距離的探測(cè)器，而且它們?nèi)栽谙蛴钪娓钐幪剿鳌r(shí)至今日，核電池已經(jīng)助力航天器完成了許多科學(xué)任務(wù)，其中包括2012年登陸火星的好奇號(hào)和2015年掠過(guò)冥王星的新視野號(hào)。
據(jù)悉，新型的eMMRTG核電池效率更高，能夠提供的電力要比裝在最新的火星車(chē)“好奇號(hào)”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，如果用方鈷礦，則電池壽命可以增長(zhǎng)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(duì)钚的依賴(lài)，我們也可以達(dá)到更深遠(yuǎn)、更持久、更多元的目標(biāo)，”噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)專(zhuān)家沙巴斯·布克斯（Sabah Bux）說(shuō)。
eMMRTG中的第一個(gè)“e”代表了“增強(qiáng)”（enhanced），而事實(shí)上，這個(gè)增強(qiáng)完全是由擁有獨(dú)特性質(zhì)的方鈷礦材料帶來(lái)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(dǎo)電性和低導(dǎo)熱性，這在普通材料中一般很難兼得。比如說(shuō)，銅的導(dǎo)電性很強(qiáng)，但導(dǎo)熱系數(shù)卻太大；玻璃的絕熱性很好，但卻不導(dǎo)電。因此，它們都不是理想的熱電轉(zhuǎn)換材料。
而方鈷礦導(dǎo)電能力堪比金屬，但傳熱性又如同玻璃，此外，它可以產(chǎn)生很高的電壓，簡(jiǎn)直就是為熱電材料而生的。
“我們需要導(dǎo)電性與絕熱性兼具的高溫材料，”布克斯說(shuō)，“方鈷礦具有非常復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)（偏方復(fù)十二面體，聽(tīng)起來(lái)是不是就很復(fù)雜），它正是我們需要的理想材料。”
方鈷礦兼具金屬的導(dǎo)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(shì)，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(nèi)部溫差而產(chǎn)生電壓的裝置。與其它材料相比，方鈷礦熱電偶能以較小溫差產(chǎn)生同等電力。因此方鈷礦熱電偶的熱電效率更高。
好奇號(hào)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(duì)著發(fā)電機(jī)中心的熱源（即衰變?cè)蟽?chǔ)藏器）。增強(qiáng)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(guò)了NASA的首次審查。如果它能在2017年和2018年通過(guò)進(jìn)一步審查，eMMRTG將被用來(lái)執(zhí)行NASA“新疆界計(jì)劃”的下一個(gè)任務(wù)。
除了用以太空計(jì)劃外，熱電材料在地球上的應(yīng)用前景同樣廣闊。
“方鈷礦可以將廢熱轉(zhuǎn)化為有用電力，進(jìn)而提高能量效率，”JPL的一位負(fù)責(zé)人說(shuō)道。
從太空到地球，高性能熱電材料的應(yīng)用無(wú)處不在
比如，將汽車(chē)尾氣的熱量轉(zhuǎn)化為電能可以給汽車(chē)電池充電，這樣汽車(chē)還能更省油。像陶瓷和玻璃處理等高溫環(huán)境的工業(yè)進(jìn)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?zé)犭姴牧系膶?zhuān)利許可。
“過(guò)去20年內(nèi)，熱電領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，這在JPL尤為明顯，”弗勒里埃爾說(shuō)，“這方面和很多重大科學(xué)突破。這種材料不但能應(yīng)用于航空領(lǐng)域，同時(shí)還能造福美國(guó)工業(yè)，我們感到很榮幸?！?
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(zhuǎn)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(dāng)熱電偶受熱時(shí)，兩種不同導(dǎo)熱率的材料有不同的溫度，在連接點(diǎn)就形成了溫差。這種溫度梯度會(huì)導(dǎo)致電子定向移動(dòng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將部分熱能轉(zhuǎn)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，它們產(chǎn)生的電壓很小，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產(chǎn)生有效電壓。
NASA希望方鈷礦熱電偶內(nèi)部產(chǎn)生的電力是方波型的，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(dǎo)體端部幾乎沒(méi)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(gè)相鄰的房間，”JPL的布克斯說(shuō)，“人群（電子）從熱房間像冷房間轉(zhuǎn)移。人群（電子）定向移動(dòng)就形成了電流?！?
將很多熱電偶再相互連接起來(lái)，就會(huì)獲得可觀(guān)的電流。熱電偶使用的熱源也很多樣，溫度從200℃到1000℃不等。
