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安装|国产火星车安装四块太阳能电池板, 背后是核能与太阳能的抉择( 二 )


与之相比，核电池则基于核衰变反应制成。按照工作原理，核电池可分为两种：热转换型核电池和非热转换型核电池。热转换型吸收α射线，借助热电效应或光电效应，在热电元件中发生热电转换；非热转换型则吸收β射线，即电子，直接发电。
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温差电池结构
应用最广泛的放射性同位素温差电池，属于热转换型核电池，利用热电偶阵列（应用了西贝克效应）接收放射性同位素在衰变时放出的热量将其转化成电能。
放射性同位素温差电池和普通电池形状相似，常被做成圆柱形，热源放射性同位素放在中心，四周裹着热电材料，如碲化铋、碲化铅、锗硅合金等，两种不同电导体或半导体因温度差异发生载流子移动现象，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势，不同热电材料温差电动势取向不同，这取决于Seebeck系数，系数大于零，由高温端指向低温段，小于零，则相反。
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热电效应原理图
使用Seebeck系数一正一负的两种材料即可在外电路中产生电流，且电流稳定，不受外界环境影响。
众多优点下，仍然难以掩盖核电池的缺点，如能量利用率低、制造成本高且有技术壁垒等。目前各国制造的核电池只有10%-20%，其余的热能要么流失，要么用来给装置保温加热，以至于在严寒中仍能保证仪器正常运转，比如阿波罗11号和“嫦娥三号”月球探测器中使用的同位素温差电池产生的额外热量就用来给仪器加热。
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嫦娥三号探测器
航天强国美国在使用同位素温差电池进行太空探索方面具有先期优势和丰富经验，已在多颗探测器上安装核电池，最大电力输出功率从几瓦特到几百瓦特不等，而且质量只有几十千克。
固然核电池具有众多优势，但是较低的电能转换效率和较高的技术壁垒，已然成为其广泛应用的“绊脚石”。
首先就是放射性同位素燃料稀缺。虽然地球上已发现近一千五百多种放射性同位素，但真正能用于同位素电池的却寥寥无几，只有钚238、锶90、钴60、铯137等十多种，而真正使用的也只有钚238、锶90两种，冥冥之中决定了核电池的命运。
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其次是较高的技术壁垒和造价。钚238是高度放射性物质，除了会对人与自然产生巨大危害，衰变释放出的高能粒子会对晶体结构造成不可逆损伤，也就是温差电池的核心——换能器。得益于纳米材料和半导体材料的发展，此问题得到部分解决，我国也自主研发出属于中国的核电池，并成功安装在“嫦娥三号”月球探测器上，但相比于成熟的太阳能发电，仍然具有极高的不确定性，尤其是在距离遥远、环境恶劣的火星。
技术问题得到部分解决，高昂的造价已然摆在面前。从同位素到材料，再到防护，每一部分都是烧钱的“玩意儿”，而且稍有差池，还会造成不可估量的损失。纵然是NASA，也不敢轻易的在火星车上使用温差电池，迄今为止，也只有好奇号使用的是钚238温差电池，动辄数十亿美元的工程造价，属实承受不起。
万事开头难，稳扎稳打求突破
虽然我国在太空探索领域已有较为丰富的经验，但对地外行星的探测仍属首次，注定有许多困难需要克服。中国首辆火星车90天的设计使用寿命足以为中国敲开火星之门，初次造访，积累经验。
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如若贸然使用核电池，无疑会加大技术难度，增加不确定性，现阶段的中国航天事业，正是需要稳步前进之时，任何一次小失误都将带来无法挽回的损失。另外，此次火星探测器降落区域纬度低，太阳光照较为充足，90天的设计使用寿命下，太阳能已足以保证能量供应。
常规能源和核能，没有孰优孰劣，在合适的时间选用合适的能源最为重要。无论科学技术的发展，还是太空探索的深入，都需要稳扎稳打，实事求是。虽然中美之间的差距依然存在，但在追赶路上的中国，最值得“伟大”！


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