NASA核电池技术取得重大突破，最快明年投入使用

编者按：在前不久的文章中，DT君提到了“对于热电材料研究的推动”将促进核电池的发展。

对不少人来说，核电池很可能是一个似懂非懂的概念。现在，我们就借着NASA在核电池技术上的最新突破，来好好了解一下这个“电池”到底是什么样子的。

JPL的一位材料工程师手里拿着一个有4个热电偶构成的热电模块。热电偶很普遍，从家用电器到航天器都有应用。

太空中既没有充电站，也没有那么长的充电线可以从地球获取电力。所以，高效、灵活而持久的电力系统一直是太空旅行的研究热点。

“NASA需要长期可靠的电力系统来探索太阳系，”NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的让·皮埃尔·弗勒里埃尔（Jean-Pierre Fleurial）说，“这对探索太阳系外围行星尤其重要，那里太阳光的强度只有地球轨道的几个百分点。”

核电池是重要的太空能源之一

当太阳无法提供免费午餐的时候，太空飞行器们就只能自带“盒饭”，而核电池正是一份性能优异的“盒饭”。

首先必须先说明一点，我们现在说的这个核电池里，即没有发生裂变反应，也没有发生聚变反应，唯一有的只是衰变反应。

放射性元素在进行衰变时会产生热量，这个时候如果配以热电材料，就能够将这些热能转化为电力。因此，这种核电池的专业名称应该是放射性同位素热电发电机（简称RTG），以下为了方便描述，统称为核电池。

核电池系统（学名放射性同位素电力系统）正是基于这个原理来驱动太空飞船。NASA核电池系统所用的“燃料”（即放射性物质）为钚-238的氧化物。

由于核电池的关键技术是将热能转化成电能，所以寻找好的热电材料显得至关重要。

方钴矿材料（skutterudites）由于其优异的热点性能，成为了现今太空电力系统研究的大热点，这种先进材料也是下一代电力系统eMMRTG的主角。

所谓eMMRTG即“Enhanced Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator”，增强型多任务放射性同位素热电发电机，说的再通俗一点，我们可以叫它增强型多任务核电池。

根据NASA官网10月13日的报道，最新基于方钴矿材料的核电池将有望用于2017年“新疆界计划”（New Frontiers）的最新任务。

当方钴矿遇到核电池

1961年，美国首次将核电池应用于人造卫星。1977年，NASA发射了两个携带核电池的姊妹探测器：旅行者1号和旅行者2号。

如今，距地球160亿公里的旅行者号是航行最远距离的探测器，而且它们仍在向宇宙更深处探索。时至今日，核电池已经助力航天器完成了许多科学任务，其中包括2012年登陆火星的好奇号和2015年掠过冥王星的新视野号。

据悉，新型的eMMRTG核电池效率更高，能够提供的电力要比装在最新的火星车“好奇号”上的核电池多25%。而且，方钴矿的自然降解率比目前MMRTG材料要慢。目前普通核电池的寿命大约为17年，如果用方钴矿，则电池寿命可以增长一倍。

方钴矿材料制成的热电偶将大幅提高现有核电池的性能

“有了更高效率的热电系统就可以减少对钚的依赖，我们也可以达到更深远、更持久、更多元的目标，”喷气推进实验室的技术专家沙巴斯·布克斯（Sabah Bux）说。

eMMRTG中的第一个“e”代表了“增强”（enhanced），而事实上，这个增强完全是由拥有独特性质的方钴矿材料带来的。

那么方钴矿材料的神奇之处到底是什么呢？

热电材料往往要求高导电性和低导热性，这在普通材料中一般很难兼得。比如说，铜的导电性很强，但导热系数却太大；玻璃的绝热性很好，但却不导电。因此，它们都不是理想的热电转换材料。

而方钴矿导电能力堪比金属，但传热性又如同玻璃，此外，它可以产生很高的电压，简直就是为热电材料而生的。

“我们需要导电性与绝热性兼具的高温材料，”布克斯说，“方钴矿具有非常复杂的晶体结构（偏方复十二面体，听起来是不是就很复杂），它正是我们需要的理想材料。”