松園

2011年8月啟程的“朱諾號(hào)”木星探測(cè)器，使用了3個(gè)10米長(zhǎng)的太陽(yáng)能電池板以滿足它在探測(cè)活動(dòng)中對(duì)電能的需求，這在人類的木星探測(cè)活動(dòng)中是史無(wú)前例的。此前的木星探測(cè)器如“伽利略號(hào)”都是依靠钚提供能源的，這種核原料在它衰變的過程中產(chǎn)生熱能，這些熱能被航天器上的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成了電能。未來(lái)，太陽(yáng)能電池技術(shù)的進(jìn)步可以讓其最終取代“核電池”嗎？

“核能航天”

難以取代

有科學(xué)家認(rèn)為，假若下一代太陽(yáng)能電池能在性能上進(jìn)一步得到改善，而航天器也能進(jìn)一步減少能源消耗，那么一艘航天器甚至可以依靠一個(gè)太陽(yáng)能電池陣列進(jìn)入天王星軌道。然而，當(dāng)航天器進(jìn)入深空后，太陽(yáng)能電池的工作效率終究要大打折扣。

預(yù)計(jì)2015年夏天抵達(dá)冥王星的“新地平線號(hào)”的電力來(lái)自于一個(gè)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)。在冥王星附近，能夠接收到的太陽(yáng)能只有地球附近的千分之一了，按照現(xiàn)有的技術(shù)，假若“新地平線號(hào)”要使用太陽(yáng)能，那么它的太陽(yáng)電池板便要做到約2000平方米大，這是很不現(xiàn)實(shí)的。

2011年11月26日發(fā)射的“好奇號(hào)”火星車使用核能驅(qū)動(dòng)，這使得“好奇號(hào)”與它的前輩 “勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”在性能上有了很大的不同。事實(shí)上，“好奇號(hào)”原本也打算使用太陽(yáng)能，但最后還是選擇了核能，原因就在于科學(xué)家們希望“好奇號(hào)”的表現(xiàn)能進(jìn)一步超過“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”，要做到這一點(diǎn)，就必須使電能的供應(yīng)不受火星季節(jié)變化和其他環(huán)境因素的影響。2004年，當(dāng)“勇氣號(hào)”著陸火星后，它曾有一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃，那就是攀登幾千米開外的哥倫比亞山主峰麥庫(kù)爾山，然而“勇氣號(hào)”沒能完成這個(gè)計(jì)劃，原因就在于它的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)無(wú)法提供足夠的能量，加上它的輪子也壞了。不過“勇氣號(hào)”還是在2005年9月登上了哥倫比亞山的另一座名為“赫斯本德山”的山峰，這座山高約90米，雖然比麥庫(kù)爾山低幾十米，但“勇氣號(hào)”總算可以在那里鳥瞰四周，這也是人類憑借機(jī)器人第一次在地球之外的另一顆行星上征服一座山巔。

由于使用太陽(yáng)能，“勇氣號(hào)”在火星上的探險(xiǎn)活動(dòng)還經(jīng)歷了一些類似的“有驚無(wú)險(xiǎn)”的麻煩，例如有一次它遇到了強(qiáng)烈的火星塵暴，于是它的太陽(yáng)能電池板上布滿了灰塵，這就使它的電量大減，幾乎“死”了過去，幸好火星上的一陣狂風(fēng)又將電池板上的灰塵吹得一干二凈，“勇氣號(hào)”才得以“死里逃生”。

假若使用核能，這種事情就不會(huì)發(fā)生，火星車抵抗環(huán)境干擾的能力會(huì)強(qiáng)很多。盡管“好奇號(hào)”的重量是“勇氣號(hào)”或“機(jī)遇號(hào)”的5倍，長(zhǎng)度是它們的2倍，但它的核動(dòng)力系統(tǒng)依然能使它在60度的斜坡上行駛，而且它的工作時(shí)間也由幾年延長(zhǎng)到了十幾年。

核電池及其安全性

放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)又叫“放射性同位素電池”，簡(jiǎn)稱“核電池”。與核反應(yīng)堆靠裂變反應(yīng)發(fā)電不同的是，核電池是基于衰變反應(yīng)產(chǎn)生能量的。由于同位素在自然衰變中釋放熱量，人們便通過一種半導(dǎo)體能量轉(zhuǎn)換器將這些熱能轉(zhuǎn)化成電能，但衰變遠(yuǎn)不如裂變劇烈，所以核電池只適用于小規(guī)模供電。它們體積小，穩(wěn)定性強(qiáng)，能長(zhǎng)期使用，抗干擾性和可靠性極佳，所以自1959年核電池誕生之日起，它們便成了電池家族中深受人們青睞的佼佼者。尤其是在航天領(lǐng)域，核電池的應(yīng)用一下子大大拓展了人類對(duì)宇宙自然的認(rèn)識(shí)空間。此前的“旅行者號(hào)”、“先驅(qū)者號(hào)”、探測(cè)木星的“伽利略號(hào)”、探測(cè)土星的“卡西尼號(hào)”都仰賴于這種核能源，并且取得了巨大的成功?！昂闷嫣?hào)”上的核電池重約45千克，發(fā)電功率140瓦，它的能量可供“好奇號(hào)”使用14年。

然而，核電池由于冠了個(gè)“核”字，它便成了人們敬而遠(yuǎn)之的“另類一族”。事實(shí)上，用于航天器上的核能材料的確是危險(xiǎn)的，例如钚-238，它的放射性極強(qiáng)，毒性很大，在發(fā)射航天器的過程中和發(fā)射以后的時(shí)段里，它們都有可能因意外而釋放到大氣層中去。1964年，美國(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)生了爆炸，1千克钚-238被釋放在了大氣層中，這種嚴(yán)重污染環(huán)境的事故令人對(duì)核電池很不放心。1999年，“卡西尼號(hào)”在飛臨地球時(shí)引發(fā)了一場(chǎng)范圍廣泛的公眾抗議活動(dòng)。“好奇號(hào)”使用核動(dòng)力也曾遭到一些環(huán)保專家和普通民眾的反對(duì)，這幾乎使這項(xiàng)計(jì)劃面臨夭折。直到美國(guó)宇航局公布了“好奇號(hào)”的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告并再三強(qiáng)調(diào)技術(shù)的可靠性，這才在一定程度上緩解了公眾的擔(dān)憂。

核電池的優(yōu)良性能讓人們 “寵愛有加”，但另一方面，它的“核標(biāo)記”又使人們“聞之色變”。能不能改變核電池在人們心目中的形象，使它們放下身段，走入尋常人的生活呢？

核電池的“瘦身運(yùn)動(dòng)”

改變發(fā)生在2005年。來(lái)自美國(guó)和加拿大的科學(xué)家發(fā)表文章說，他們利用核材料放射衰變的原理制造了一種新型電池，它的電量是此前同類電池的10倍，可連續(xù)10年不充電。在當(dāng)時(shí)，核電池的誕生已接近半個(gè)世紀(jì)，因此利用放射衰變的原理產(chǎn)生電能并不是新鮮事。然而此前利用同類方法生產(chǎn)的核電池都面臨體積過大、電量過小的問題，原因很簡(jiǎn)單，那就是當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生衰變時(shí)，它們的電子是向四面八方輻射的，所以大部分電子并沒有被硅捕獲到。這種情況有點(diǎn)類似于太陽(yáng)發(fā)出的光子絕大部分都散發(fā)到宇宙中去了，而我們地球只接收到其中的極少一部分一樣。為此，科學(xué)家們使用了一種巧妙的辦法，那就是在硅片上弄出許多坑來(lái)，這需要使用一種名為“蝕刻”的技術(shù)。這些坑好像一些深井，而放射性的氚氣則會(huì)充斥于深井中，“井壁”的存在成倍增加了硅片接收電子的面積，因而有限的平面就得到了

充分的利用。不過說是“深井”，其實(shí)非常小，“井口”直徑只有1微米，“井深”約40微米。利用這種方法可使電量提高10倍，而一種期待中的“挖井”方法還將使電量提高160倍。

不過，核電池的“瘦身運(yùn)動(dòng)”并沒有就此停止。2009年，美國(guó)科學(xué)家推出了一款更新的核電池，它只有一枚便士大小。其“瘦身”的奧秘在于，科學(xué)家們將核電池中的固體半導(dǎo)體材料改變成了液體材料。原來(lái)，當(dāng)核電池產(chǎn)生電流時(shí)，它的輻射也同時(shí)在損害固體半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)，正是由于這個(gè)緣故，為了讓核電池能長(zhǎng)期使用，它們才不得不被做得很大。但現(xiàn)在使用了液體半導(dǎo)體材料，人們便能最大限度地避免這種損害，核電池就可以變得很小了。2012年8月，美國(guó)一家公司又推出了一種名為NanoTritium 的“微核”電池，據(jù)說這種電池能連續(xù)供電20年?？茖W(xué)家相信，未來(lái)的核電池還可以進(jìn)一步“瘦身”，甚至可以小到只有一根頭發(fā)絲那么厚。如此看來(lái)，“微核”的未來(lái)不是夢(mèng)。

“核”未來(lái)值得期待

現(xiàn)階段，“微核”的電量還是太小，它們可以大顯身手的地方只能是耗能很低的裝置，例如微機(jī)電裝置、一些傳感器和某些用于人體中不宜經(jīng)常更換的植入裝置等等。至于人們期待用它們驅(qū)動(dòng)筆記本電腦和手機(jī)還需假以時(shí)日。

另外一個(gè)問題是，盡管科學(xué)家們反復(fù)說明，他們研制的微核電池是安全的，例如使用的氚是氫的放射性同位素，它只釋放低能量的粒子，很薄的材料就能阻攔它們。但即使如此， 像普通電池那樣不受管制地使用核電池依然有待措施的完善。只有對(duì)核電池的制造、銷售和回收都有了完善的管理機(jī)制，人們才有可能真正放心地使用核電池。

事實(shí)上，即使在航天領(lǐng)域，人們也在研發(fā)有望代替核電池的新型航天動(dòng)力系統(tǒng)。例如，美國(guó)科學(xué)家邁克爾·保羅就闡述了用斯特林引擎探測(cè)金星的可能，他認(rèn)為這種引擎最適合在金星的表面使用，因?yàn)樗固亓忠婺軐⒔鹦巧系亩趸己弯嚾剂舷嗷旌希缓笸ㄟ^燃燒產(chǎn)生熱能。假若發(fā)展得當(dāng)，這種引擎便能代替核能系統(tǒng)參與到土衛(wèi)六、火星和永久照不到陽(yáng)光的月球隕石坑的探測(cè)活動(dòng)中去。這是否意味著核電池要從航天領(lǐng)域中退出呢？不是的。核電池的優(yōu)良性能，例如它的穩(wěn)定性、持久性和適應(yīng)環(huán)境的能力目前還很難被其他電池所取代，所以在未來(lái)的深空探測(cè)活動(dòng)中，核電池還將繼續(xù)發(fā)揮作用。

2013年初，美國(guó)為了緩解航天業(yè)的核能短缺，決定重啟已中斷多年的钚-238的生產(chǎn)。這雖然遭到了很多人的反對(duì)，但也不失為解決現(xiàn)實(shí)難題的一種辦法。

我國(guó)第一枚钚-238核能電池誕生于2006年，這將為我國(guó)未來(lái)的深空航天探測(cè)打下良好的基礎(chǔ)。我國(guó)還將在準(zhǔn)備成行的“嫦娥三號(hào)”月球車上使用钚-238。“嫦娥三號(hào)”月球車同時(shí)配備太陽(yáng)能和核能電池。當(dāng)月球的夜晚來(lái)臨時(shí)，月球車將依靠核電池的能量“暖身”，以此保證它的車載儀器不被凍壞。

未來(lái)的核電池將是怎樣的，這是人們非常關(guān)心的問題。自核電池問世以來(lái)，人們一直在依靠它們完成常規(guī)電池?zé)o法完成的“特殊任務(wù)”，這是核電池的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，也依然是未來(lái)核電池不變的使命?！拔⒑恕彪姵氐某霈F(xiàn)已向民用邁出了一大步，假若未來(lái)的技術(shù)能在安全性能和發(fā)電效能上出現(xiàn)大幅度改進(jìn)，那么核電池就會(huì)進(jìn)一步走進(jìn)我們的生活。也許有一天，電動(dòng)汽車、筆記本電腦和我們的手機(jī)都會(huì)裝上一枚核電池。

【責(zé)任編輯】龐 云