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一塊電池用半個世紀,遨游宇宙就靠它了

鉅大LARGE  |  點擊量:583次  |  2021年11月02日  

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越得多!


從各行星上看太陽的視角大小比較

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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

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標稱電壓:28.8V
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應用領域:勘探測繪、無人設備

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,你會發現,太陽的亮度已經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,還有什么電池能代替它呢?目前沒有。


核電池與的差別


發電,核電池也發電,兩者有何差別?


差別一:


的反應堆,里面重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,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熱量。這熱量被用來發電。


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量最重的元素,比鈾還要重。其穩定的同位素是钚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光的余燼。


1千克钚238的熱功率相當于一個570瓦功率的電爐,且持續時間以數十年計,從不間斷。


好奇號上采用的核電池,也是利用钚-238,在任務初期可以在任何狀況下穩定地供應大約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回路的水,出現高溫蒸氣沖擊汽輪機并發電。而核電池是采用熱電效應來發電。


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。而核電池供應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》,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年核能第一次應用于太空,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,或者說若想沖出太陽系,遨游并探索外面的精彩宇宙,那么核技術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?



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