王遠

生活在現(xiàn)代社會里，幾乎每個人都能體會到電池的重要性。想象一下，出門在外手機突然沒電了，那是多么令人難受的一件事情。未來有沒有可能發(fā)明一種電池，擁有巨大的能量，能夠讓我們超長時間使用？答案是：可能的。

放棄又拾起的能源

1977年，旅行者號探測器（1號和2號）起飛，開始了宇宙旅程?，F(xiàn)在，它們已經(jīng)離開了太陽系。你或許會問，“這么長時間了，它們飛行的能量還沒用完嗎？”是的，因為它們有很好的電池（據(jù)稱，這些電池將持續(xù)到2025年）。

在日常生活中，電池似乎無法持續(xù)那么長的時間。手機的電量好像每天都被我們榨干，筆記本電腦似乎對電源線的渴求不斷，而電動汽車往往還沒走多久就不得不停下（充電）……這個時候，我們都渴望一種新型的電源。

也許在不久的將來，它就會出現(xiàn)在我們的生活中。旅行者號探測器使用的是弱核動力源，具有放射性，在地球上使用很危險。不過，新型電源的形式與它密切相關(guān)，如果最終開發(fā)出來，我們將得到更大的能量，而且可以在普通汽車中安全地工作。很早的時候，人們就認識到這種能源。20年前，科學家們曾就它進行了激烈的爭論，造成的結(jié)果是它逐漸淡出了人們的視線?，F(xiàn)在，美國陸軍研究所已經(jīng)緊緊盯住了它，并進行了一項實驗，可能會賦予它新的生命。

從原子中尋找能量

能量的儲存方式大多數(shù)都與化學反應有關(guān)。當汽油在汽車發(fā)動機中燃燒時，釋放的是化學鍵中存儲的能量。同樣，手機等設(shè)備中的鋰電池也是通過帶電離子的流動來工作。但是，如果我們超越化學反應，就會發(fā)現(xiàn)，在原子的內(nèi)部蘊藏著更大的能量。

每個原子由原子核與核外電子構(gòu)成，而原子核中有質(zhì)子和中子。這些質(zhì)子和中子在極端的溫度和壓力環(huán)境下（如恒星內(nèi)部）通常會融合在一起。如果以正確的方式深入原子核，則可從中提取令人震驚的能量。一種方式是“核裂變”：核釋放出中子，然后中子會使更多的原子分裂，從而導致鏈式反應釋放出大量的能量（目前世界上大多數(shù)核電站就是采用這種方式）。還有一種方式是“核聚變”，它產(chǎn)生的能量可能更強大，但要以可控的方式將核束縛在一起。

但是，旅行者號探測器卻以另一種不同的方式獲取能量：它們利用天然放射性。一些原子是不穩(wěn)定的，會不時地吐出大量的物質(zhì)和能量——可能是兩個質(zhì)子和兩個中子（α射線）、一個電子（β射線）或者是γ射線形式的原始能量。

所有輻射都危險？

我們無法預測一個原子什么時候會這么衰變，但我們知道，一團放射性物質(zhì)的原子，其半數(shù)完成衰變需要多長時間，這是它的“半衰期”，其長短差別很大，短的遠小于一秒，長的可達數(shù)百億年。钚-238的半衰期為87.7年，這是它被選作旅行者探測器動力的一個原因。它會放射出一堆α粒子流，并產(chǎn)生熱量，該熱量被探測器上的放射性同位素熱電發(fā)生器轉(zhuǎn)化為電能。

說起放射性同位素，人們第一反應通常是它會給人體造成傷害，但事實上，并非所有的放射性同位素都是如此。γ射線能夠穿透人體組織，它很危險;β射線能被體外衣服消減或阻擋，所以危險性一般;α射線無法穿透皮膚，只有在進入人體時才會造成傷害。事實上，直到20世紀70年代初，心臟起搏器才配備了功能完備的放射性同位素熱電機。

美國陸軍研究所關(guān)注的能源，融合了其它核能最好的部分，可能更強大、安全且持久，這就是異構(gòu)體。異構(gòu)體指的是，特定元素的質(zhì)子和中子可以以不同的排列聚集在原子核中，各自具有不同的能量。原子通常以其最穩(wěn)定的異構(gòu)體（基態(tài)）存在，高能異構(gòu)體則往往會迅速將自身重新排列回此狀態(tài)，但是有一些高能異構(gòu)體可以穩(wěn)定地持續(xù)很長時間。

狀態(tài)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生能量

1998年，美國得克薩斯大學的卡爾·柯林斯使用粒子加速器制備了一種穩(wěn)定的高能異構(gòu)體，稱為鉿-178m2（m2表示這是鉿-178的第二種異構(gòu)體）。然后，他向其原子核發(fā)射X射線，并聲稱將該原子核移至了基態(tài)，同時還釋放出了伽瑪射線。這種材料非常危險，因此很難被開發(fā)成能源。但柯林斯認為這是原子核的異構(gòu)體能用來作能源的原理性證明，甚至可以用其制造新型的核彈。

許多科學家嘲笑柯林斯，認為他進行異構(gòu)體轉(zhuǎn)化所投入的能量比得到的還多。此外，他需要使用粒子促進劑來制造“鉿”的異構(gòu)體，這意味著耗費巨資卻只能獲取少量收益。后來這被稱為“鉿的爭議”。

這些問題，其它高能異構(gòu)體可能解決。例如，銀-108m雖會產(chǎn)生β輻射，但這種輻射危險性較小，且易于開發(fā)。異構(gòu)體的安全性始終沒人敢打包票，但如果它們能夠產(chǎn)生有效的、無限的能源，我們似乎可以放手一搏。

柯林斯的方法是將異構(gòu)體的所有能量一口氣釋放出來。但是，有一種不同的方法更加管用，我們已經(jīng)知道它幾十年了，只是一直沒有正確地研究它。

無定論的爭議

想象一下，你擁有一塊放射性異構(gòu)體，例如鉿-178m2，它能量很高，也很穩(wěn)定。你可以將它安全地、長時間地放置在容器中，它幾乎不會發(fā)出任何輻射。當你需要一些能量時，就將它的一部分轉(zhuǎn)換為基態(tài)，這部分會變得極不穩(wěn)定，并開始迅速發(fā)生放射性衰變。很快，你將獲得與“旅行者”一樣的能量源，而且它可以隨時啟用。

美國陸軍的研究人員正在研究如何將這種設(shè)想變成現(xiàn)實。似乎有一種方法可以做到：向異構(gòu)體發(fā)射電子，當這些電子被吸收到核周圍的軌道中，會促使質(zhì)子和中子重新進行排列。這稱為“電子捕獲核激發(fā)（NEEC）”，最早于1976年提出。

“火星任務(wù)2020”探測器裝有核動力電池

美陸軍新型多用途無人車輛（SMET）裝備有最新的異構(gòu)體電池

研究人員使用粒子加速器制造了鉬-93m原子束，其半衰期約為7小時。它有10%左右的光速，足以剝離掉一些原子的電子。研究人員用它撞擊靶標，該靶標將電子注入到原子核中，同時使它們逐漸變成不穩(wěn)定的異構(gòu)體。由于異構(gòu)體衰變速度很快，研究人員雖然無法觀察到這個過程，但推斷它產(chǎn)生了γ射線。這樣的異構(gòu)體能產(chǎn)生多少能量呢？實驗數(shù)據(jù)表明，如果是1%的原子接受NEEC，那么該過程每投入1焦耳就能產(chǎn)生5焦耳的能量。這項研究成果于2018年發(fā)表，是對NEEC首次闡釋。

未來的電池

研究人員承認，目前還遠遠實現(xiàn)不了用鉬的異構(gòu)體來做電池。然而，柯林斯的觀點仍然適用——還有其它異構(gòu)體可能更容易使用，可以利用它們產(chǎn)生能量。問題在于異構(gòu)體的準確屬性很難推測，除非對它們進行試驗，否則我們無法知道它們的適用性。

這正是美國陸軍研究人員現(xiàn)在想要做的，他們正與波蘭科學家進行合作。波蘭有個“MARIA”實驗核反應堆，該反應堆可以生產(chǎn)各種不同的異構(gòu)體。他們的目標是了解各種異構(gòu)體如何根據(jù)需要來充電和放電，換句話說，就是要找出哪些異構(gòu)體可以用來做電池。該團隊正在研究錸-186m、镅-242m以及其它的異構(gòu)體。

除了使用粒子加速器，目前還沒有找到比這更適合的轉(zhuǎn)化異構(gòu)體的方法。但是，異構(gòu)體用來做電池動力是絕對足夠的，因為它們能將巨大的能量打包成很小的體積。研究人員認為，每克異構(gòu)體可以存儲高達千兆焦耳的能量，是鋰離子電池的一百萬倍，是汽油的數(shù)萬倍。

風險巨大的賭注

為什么美國陸軍對異構(gòu)體如此感興趣？讓我們看一組數(shù)據(jù)：1千克镅-242m，可以供SMET（美國一種用于運載士兵裝備的無人駕駛軍車）行駛163天，而20升汽油只能供它行駛?cè)?。此外，無人機、機器人潛艇也可以使用異構(gòu)能源。

任何帶“核”的事物，其安全性都會受到人們的關(guān)注。產(chǎn)生γ射線的異構(gòu)體不可以被使用，但如果是發(fā)射β或α粒子的異構(gòu)體，那將是可以的。事實上，家用電器電池需要的放射性物質(zhì)的數(shù)量可能比醫(yī)院常規(guī)設(shè)備需要的少。

投資異構(gòu)體能源是風險很大的賭注。但我們許多偉大的成就一開始不都是這樣？在20世紀50年代太空競賽剛開始時，誰會想到，僅僅幾十年后，我們已經(jīng)能夠向太陽系的邊緣發(fā)射探測器了！而現(xiàn)在，太空航行已經(jīng)私人化、商業(yè)化了！