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当太阳无法提供免费午餐的时候,太空飞行器们就只能自带“盒饭”,而核电池正是一份性能优异的“盒饭”。
首先必须先说明一点,我们现在说的这个核电池里,即没有发生裂变反应,也没有发生聚变反应,唯一有的只是衰变反应。
放射性元素在进行衰变时会产生热量,这个时候如果配以热电材料,就能够将这些热能转化为电力。因此,这种核电池的专业名称应该是放射性同位素热电发电机(简称RTG),以下为了方便描述,统称为核电池。
核电池系统(学名放射性同位素电力系统)正是基于这个原理来驱动太空飞船。NASA核电池系统所用的“燃料”(即放射性物质)为钚-238的氧化物。
由于核电池的关键技术是将热能转化成电能,所以寻找好的热电材料显得至关重要。
方钴矿材料(skutterudites)由于其优异的热点性能,成为了现今太空电力系统研究的大热点,这种先进材料也是下一代电力系统eMMRTG的主角。
所谓eMMRTG即“Enhanced Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator”,增强型多任务放射性同位素热电发电机,说的再通俗一点,我们可以叫它增强型多任务核电池。
根据NASA官网10月13日的报道,最新基于方钴矿材料的核电池将有望用于2017年“新疆界计划”(New Frontiers)的最新任务。
当方钴矿遇到核电池
1961年,美国首次将核电池应用于人造卫星。1977年,NASA发射了两个携带核电池的姊妹探测器:旅行者1号和旅行者2号。
如今,距地球160亿公里的旅行者号是航行最远距离的探测器,而且它们仍在向宇宙更深处探索。时至今日,核电池已经助力航天器完成了许多科学任务,其中包括2012年登陆火星的好奇号和2015年掠过冥王星的新视野号。
据悉,新型的eMMRTG核电池效率更高,能够提供的电力要比装在最新的火星车“好奇号”上的核电池多25%。而且,方钴矿的自然降解率比目前MMRTG材料要慢。目前普通核电池的寿命大约为17年,如果用方钴矿,则电池寿命可以增长一倍。
方钴矿材料制成的热电偶将大幅提高现有核电池的性能
“有了更高效率的热电系统就可以减少对钚的依赖,我们也可以达到更深远、更持久、更多元的目标,”喷气推进实验室的技术专家沙巴斯˙布克斯(Sabah Bux)说。
eMMRTG中的第一个“e”代表了“增强”(enhanced),而事实上,这个增强完全是由拥有独特性质的方钴矿材料带来的。
那么方钴矿材料的神奇之处到底是什么呢?
热电材料往往要求高导电性和低导热性,这在普通材料中一般很难兼得。比如说,铜的导电性很强,但导热系数却太大;玻璃的绝热性很好,但却不导电。因此,它们都不是理想的热电转换材料。
而方钴矿导电能力堪比金属,但传热性又如同玻璃,此外,它可以产生很高的电压,简直就是为热电材料而生的。
“我们需要导电性与绝热性兼具的高温材料,”布克斯说,“方钴矿具有非常复杂的晶体结构(偏方复十二面体,听起来是不是就很复杂),它正是我们需要的理想材料。”
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