對不少人來說，核電池很可能是一個似懂非懂的概念。現在，我們就借著NASA在核電池技術上的最新突破，來好好了解一下這個“電池”到底是什么樣子的。

JPL的一位材料工程師手里拿著一個有4個熱電偶構成的熱電模塊。熱電偶很普遍，從家用電器到航天器都有應用。

太空中既沒有充電站，也沒有那么長的充電線可以從地球獲取電力。所以，高效、靈活而持久的電力系統一直是太空旅行的研究熱點。

“NASA要長期可靠的電力系統來探索太陽系，”NASA噴氣推進實驗室（JetPropulsionLaboratory，JPL）的讓·皮埃爾·弗勒里埃爾（Jean-PierreFleurial）說，“這對探索太陽系外圍行星尤其重要，那里太陽光的強度只有地球軌道的幾個百分點。”

核電池是重要的太空能源之一

當太陽無法供應免費午餐的時候，太空飛行器們就只能自帶“盒飯”，而核電池正是一份性能優異的“盒飯”。

首先必須先說明一點，我們現在說的這個核電池里，即沒有發生裂變反應，也沒有發生聚變反應，唯一有的只是衰變反應。

放射性元素在進行衰變時會出現熱量，這個時候假如配以熱電材料，就能夠將這些熱能轉化為電力。因此，這種核電池的專業名稱應該是放射性同位素熱電發電機（簡稱RTG），以下為了方便描述，統稱為核電池。

核電池系統（學名放射性同位素電力系統）正是基于這個原理來驅動太空飛船。NASA核電池系統所用的“燃料”（即放射性物質）為钚-238的氧化物。

由于核電池的關鍵技術是將熱能轉化成電能，所以尋找好的熱電材料顯得至關重要。

方鈷礦材料（skutterudites）由于其優異的熱點性能，成為了現今太空電力系統研究的大熱點，這種先進材料也是下一代電力系統eMMRTG的主角。

所謂eMMRTG即“EnhancedMulti-MissionRadioisotopeThermoelectricGenerator”，增強型多任務放射性同位素熱電發電機，說的再通俗一點，我們可以叫它增強型多任務核電池。

根據NASA官網十月十三日的報道，最新基于方鈷礦材料的核電池將有望用于2017年“新疆界計劃”（NewFrontiers）的最新任務。

當方鈷礦遇到核電池

1961年，美國首次將核電池應用于人造衛星。1977年，NASA發射了兩個攜帶核電池的姊妹探測器：旅行者1號和旅行者2號。

如今，距地球160億公里的旅行者號是航行最遠距離的探測器，而且它們仍在向宇宙更深處探索。時至今日，核電池已經助力航天器完成了許多科學任務，其中包括2012年登陸火星的好奇號和2015年掠過冥王星的新視野號。

據悉，新型的eMMRTG核電池效率更高，能夠供應的電力要比裝在最新的火星車“好奇號”上的核電池多25%。而且，方鈷礦的自然降解率比目前MMRTG材料要慢。目前普通核電池的壽命大約為17年，假如用方鈷礦，則電池壽命可以上升一倍。

方鈷礦材料制成的熱電偶將大幅提高現有核電池的性能

“有了更高效率的熱電系統就可以減少對钚的依賴，我們也可以達到更深遠、更持久、更多元的目標，”噴氣推進實驗室的技術專家沙巴斯·布克斯（SabahBux）說。

eMMRTG中的第一個“e”代表了“增強”（enhanced），而事實上，這個增強完全是由擁有獨特性質的方鈷礦材料帶來的。

那么方鈷礦材料的神奇之處到底是什么呢？

熱電材料往往要求高導電性和低導熱性，這在普通材料中一般很難兼得。比如說，銅的導電性很強，但導熱系數卻太大；玻璃的絕熱性很好，但卻不導電。因此，它們都不是理想的熱電轉換材料。

而方鈷礦導電能力堪比金屬，但傳熱性又如同玻璃，此外，它可以出現很高的電壓，簡直就是為熱電材料而生的。

“我們要導電性與絕熱性兼具的高溫材料，”布克斯說，“方鈷礦具有非常復雜的晶體結構（偏方復十二面體，聽起來是不是就很復雜），它正是我們要的理想材料。”

方鈷礦兼具金屬的導電性和玻璃的熱絕緣性

從太空到地球

基于方鈷礦材料的巨大優勢，JPL正在研究如何將方鈷礦做成熱電偶。熱電偶是利用原件內部溫差而出現電壓的裝置。與其它材料相比，方鈷礦熱電偶能以較小溫差出現同等電力。因此方鈷礦熱電偶的熱電效率更高。

好奇號的電力系統采用的是MMRTG。768根碲合金制成的熱電偶朝同一方向圍成一圈，都對著發電機中心的熱源（即衰變原料儲藏器）。增強型MMRTG，即eMMRTG系統熱電偶數量同樣是768，不同的只是材料換成了方鈷礦。

2015年底，方鈷礦熱電偶通過了NASA的首次審查。假如它能在2017年和2018年通過進一步審查，eMMRTG將被用來執行NASA“新疆界計劃”的下一個任務。

除了用以太空計劃外，熱電材料在地球上的應用前景同樣廣闊。

“方鈷礦可以將廢熱轉化為有用電力，進而提高能量效率，”JPL的一位負責人說道。

從太空到地球，高性能熱電材料的應用無處不在

比如，將汽車尾氣的熱量轉化為電能可以給汽車電池充電，這樣汽車還能更省油。像陶瓷和玻璃處理等高溫環境的工業進程同樣可以用方鈷礦收集廢熱。2015年，紐約一家公司就從JPL獲得了高溫熱電材料的專利許可。

“過去20年內，熱電領域蓬勃發展，這在JPL尤為明顯，”弗勒里埃爾說，“這方面和很多重大科學突破。這種材料不但能應用于領域，同時還能造福美國工業，我們感到很榮幸。”

原理解釋

何謂熱電材料？

熱電材料是能將材料溫差與電能相互轉換的材料。

何謂熱電偶？

傳統熱電偶有兩種不同熱電材料連接而成。當熱電偶受熱時，兩種不同導熱率的材料有不同的溫度，在連接點就形成了溫差。這種溫度梯度會導致電子定向移動而出現電動勢，將部分熱能轉換為電能。

熱電偶是如何工作的？

熱電偶在日常生活中很普遍，熱水器、電烤箱都有用到熱電偶。家用電器的熱電偶效率一般很低，它們出現的電壓很小，電流也極其微弱。與之相比，方鈷礦熱電偶的效率要高得多，它在很小的溫差下就能出現有效電壓。

NASA希望方鈷礦熱電偶內部出現的電力是方波型的，有明顯的上升沿和下降沿以及平頂段。熱電偶的熱量從高溫端傳到低溫端，在導體端部幾乎沒有電流，在熱電偶中間卻有穩定均勻的電流。

“這就像有一冷一熱兩個相鄰的房間，”JPL的布克斯說，“人群（電子）從熱房間像冷房間轉移。人群（電子）定向移動就形成了電流。”

將很多熱電偶再相互連接起來，就會獲得可觀的電流。熱電偶使用的熱源也很多樣，溫度從200℃到1000℃不等。