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        超級電池

        2015-08-13 04:09:21
        少年科學(xué) 2015年7期
        關(guān)鍵詞:金屬棒核電站飛船

        2014年,有一條科技新聞多次登上各網(wǎng)站的“頭條”:美國密蘇里大學(xué)的一個(gè)能源研究團(tuán)隊(duì)對外宣布,他們開發(fā)出一種“超級電池”,可以裝到汽車上,其提供的電量能讓一輛汽車在不充電的狀態(tài)下連續(xù)行駛數(shù)年。

        在我們的印象里,電動(dòng)汽車每天都需要充電,并且因?yàn)樗骐娏坑邢?,電?dòng)汽車還常常無法長時(shí)間連續(xù)行駛。電池不耐用,是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的最大瓶頸?,F(xiàn)在居然有一種“超級電池”不充電可以讓汽車連續(xù)行駛數(shù)年,這是一種什么樣的電池呢?

        核電池vs核電站

        這種“超級電池”的名字叫核電池!

        用核能發(fā)電,大家耳熟能詳?shù)氖恰昂穗娬尽?,現(xiàn)在蹦進(jìn)耳朵的名字可是叫“核電池”呀。那么核電池是不是一座微型化的核電站呢?要弄清楚核電池與核電站的區(qū)別,我們不妨看看核電站和核電池各自的發(fā)電原理吧。

        核電站的發(fā)電原理

        核電站是把放射性元素放進(jìn)一個(gè)“堅(jiān)固的容器”里,這些放射性元素在衰變的過程中會釋放出大量熱能,這些熱能把水加熱,形成高壓水蒸氣,水蒸氣再推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電??磥?,核電站的發(fā)電原理和火力發(fā)電站的發(fā)電原理是相同的,只不過火力發(fā)電站是用煤炭燃燒把水加熱的,核電站則是利用“原子能”把水加熱的。如果不考慮“加熱方式”的區(qū)別,核電站也算是火力發(fā)電站的一種。

        核電池的發(fā)電原理

        1818年,有位叫塞貝克的物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的物理現(xiàn)象。他把兩段不同的金屬棒用導(dǎo)線連接起來,形成一個(gè)電路,然后把其中一個(gè)金屬棒加熱到較高的溫度時(shí),電路中就產(chǎn)生了電流。

        當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家都知道當(dāng)金屬棒“切割”磁力線的時(shí)候,電路中就會產(chǎn)生電流,并把這種現(xiàn)象稱為“電磁效應(yīng)”。人們就是利用了電磁效應(yīng)發(fā)明發(fā)電機(jī)的。可是,塞貝克加熱金屬棒而產(chǎn)生的電流并非基于“切割磁力線”,那怎么會產(chǎn)生電流呢?

        原來,這是由于兩根金屬棒之間存在著“溫度差”。物理學(xué)上,把電路中兩段金屬棒因存在溫度差而產(chǎn)生電流的現(xiàn)象就被稱為“熱電效應(yīng)”。核電池就是利用熱電效應(yīng)而產(chǎn)生電流的。

        核電池的構(gòu)造可以簡單地描述成這個(gè)樣子:在一個(gè)密閉容器內(nèi)放置兩段半導(dǎo)體棒,用放射性元素包裹其中一段半導(dǎo)體棒,放射性元素會在衰變的過程中釋放熱量把這段半導(dǎo)體棒加熱,使其成為一段“熱棒”,而另一段半導(dǎo)體棒則不包裹放射元素,沒有熱量來加熱它,所以它會成為一段“冷棒”。核電池內(nèi)的“熱棒”和“冷棒”存在溫度差,如果把這兩段有溫度差的半導(dǎo)體棒用導(dǎo)線連接起來形成電路,那么就會產(chǎn)生電流。

        核電站用電磁效應(yīng)發(fā)電,而核電池則是運(yùn)用熱電效應(yīng)來發(fā)電,這就是核電站和核電池的本質(zhì)區(qū)別。

        航天利器

        熱電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)快有200年的歷史,因此運(yùn)用熱電效應(yīng)制造的核電池也并不是什么新科技產(chǎn)品。早在幾十年前,科學(xué)家就已經(jīng)研制出了核電池,只不過當(dāng)時(shí)的核電池多用于航天設(shè)備之中,所以它一直是航天工程的利器。

        1969年7月,美國“阿波羅11號”飛船降落在月球上。隨后,航天員登上了月球。當(dāng)時(shí)“阿波羅11號”飛船上安裝了一個(gè)類似于核電池的裝置,其發(fā)熱功率相當(dāng)于一個(gè)15瓦的燈泡。這個(gè)發(fā)熱裝置里填充的放射性元素為钚-238。之所以說它類似于一個(gè)核電池,是因?yàn)楫?dāng)時(shí)這個(gè)裝置不是用來輸出電流的,只是通過發(fā)熱幫助飛船在月球上取暖用的,這個(gè)發(fā)熱裝置可以說是核電池的雛形。

        “阿波羅12號”飛船加裝了通過改進(jìn)的發(fā)熱裝置,改進(jìn)后的裝置內(nèi)部填充的放射性元素仍舊是钚-238,內(nèi)部又加裝了兩個(gè)用于產(chǎn)生電流的半導(dǎo)體棒,讓它成為了一個(gè)真正的“核電池”,當(dāng)時(shí)它被稱為SNAP-27A?!鞍⒉_12號”飛船攜帶的核電池重31千克,發(fā)電功率提升到60瓦,可持續(xù)輸出電流達(dá)一年的時(shí)間。正是因?yàn)橛辛撕穗姵兀鞍⒉_12號”才完成了一系列高難度、用電量大的太空研究任務(wù),這都得益于核電池為飛船提供了足夠而持續(xù)的電力供應(yīng)。

        1976年,“海盜號”火星探測器通過漫長的太空旅行,成功地在火星上著陸并展開相關(guān)探測實(shí)驗(yàn),也是得益于它上面裝置了兩個(gè)35瓦的核電池。2004年登陸火星的“勇氣號”和“機(jī)遇號”也帶著核電池踏上了太空的旅途,當(dāng)這兩個(gè)火星探測器到達(dá)火星后,關(guān)注者們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)“小家伙”雖然工作很“繁忙”,但“精神頭”卻特別好,這是因?yàn)樗鼈冸S身裝置的核電池可連續(xù)供電14年。這種核電池的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,其提供電力的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽能電池板的供電效率。

        目前,有能力將核電池裝置于航天器的國家有美國、歐盟、俄羅斯和中國。近些年來,中國的航天技術(shù)發(fā)展迅速,核電池也成為太空探索不可缺少的利器,比如“嫦娥三號”的月球車就裝置了核電池作為電源。

        宇宙無限廣闊,人類對宇宙里的“秘密”有著強(qiáng)烈的好奇心,所以開始制造一些飛行器向更加深遠(yuǎn)的宇宙空間飛行。美國的“旅行者1號”探測器,目前創(chuàng)造了太空飛行史的輝煌紀(jì)錄:它已經(jīng)連續(xù)飛行了36年,現(xiàn)在距離地球有200億千米遠(yuǎn),已經(jīng)飛行到了太陽系的邊緣。它的目標(biāo)是飛出太陽系,充當(dāng)?shù)厍蛉说摹坝钪媸拐摺保?fù)責(zé)向外星人傳遞人類信息?!奥眯姓?號”要完成這樣的任務(wù),需要繼續(xù)飛行上百年,甚至上千年——“旅行者1號”攜帶的核電池,將工作到2025年。

        飛入尋常百姓家

        核電池技術(shù)在航天工業(yè)的“磨練”下,制造工藝越來越成熟,制造成本也越來越低廉,所以核電池最終將從航天技術(shù)轉(zhuǎn)化為民用技術(shù)。就目前的情況來看,核電池“飛入尋常百姓家”的動(dòng)作正越來越明顯,因?yàn)槠胀ㄈ说纳羁臻g里,或隱或現(xiàn)地有了核電池的身影。核電池進(jìn)入普通生活,會給我們帶來什么樣的驚喜和改變呢?

        手機(jī)可以不用充電了

        生活中,每個(gè)人都經(jīng)歷過手機(jī)電量不足,需要不斷充電的煩惱。如果有一個(gè)人擁有一個(gè)月都不用充電的手機(jī),那肯定是令人欣喜的事情??墒乾F(xiàn)在給你一個(gè)能連續(xù)使用5000年都不需充電的手機(jī),你肯定會驚訝萬分吧。是的,核電池正由原來的“較大”向著“小型化”的方向發(fā)展,做到手機(jī)電池大小的模樣已經(jīng)指日可待,到時(shí)候手機(jī)里配上一塊核電池,那么你的手機(jī)從此就可以不再充電,手機(jī)斷電的煩惱也不會存在了。除了手機(jī)里可裝配核電池,所有需要移動(dòng)電源的電器都可以裝配核電池,這些電器不用充電就可以隨意使用5000年,那將是多么方便而愜意的事呀。

        心臟手術(shù)不必重復(fù)做了

        有些心臟病人需要在體內(nèi)安裝起搏器。可是安裝了心臟起搏器的病人總有種擔(dān)心:過幾年后,起搏器的電量耗盡,又得重新手術(shù),這真是讓人害怕。如果給心臟病人的起搏器配備一塊小型的核電池,那么“電力耗盡”的問題就可以避免了,可謂是一次手術(shù)終生無憂了。核電池的小型化,可以為許多“微型電機(jī)”提供足夠的電力,而“微型電機(jī)”正是日后進(jìn)入人體,維持人類生命的“主力軍”,所以核電池注定會給人類生命帶來強(qiáng)大的“保護(hù)力”,其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。

        開一輛電動(dòng)汽車周游世界

        目前,電動(dòng)汽車雖然很“前衛(wèi)”,也很環(huán)保,但是電動(dòng)汽車多是采用體積大、重量沉的化學(xué)電池,加上這樣的化學(xué)電池壽命短,導(dǎo)致當(dāng)前的電動(dòng)汽車并沒有得到用戶的青睞,所以很難替代傳統(tǒng)的燃油汽車。如果把核電池裝到電動(dòng)汽車上,電動(dòng)汽車就會成為“高性能”汽車—重量輕,電力足,開著以核電池為電源的電動(dòng)汽車,周游世界都不用充電,那可是一輛“永動(dòng)汽車”呀??茖W(xué)家預(yù)測,不久的未來,核電池必將普遍應(yīng)用于電動(dòng)汽車,到時(shí)每家擁有一輛不太需要維修、不用充電,且高效大功率、低成本的核電池汽車將不是夢想,開著核電池汽車周游世界將是一種新時(shí)髦。

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