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航天器如何獲取能源?依靠核電池,但與核裂變無(wú)關(guān)

科學(xué)信仰
原創(chuàng)
泛科學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)作者??茖W(xué)是一種規(guī)律,信仰是一種態(tài)度。
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漂浮在宇宙中的航天器是依靠什么來(lái)維持設(shè)備的正常運(yùn)行并與地球保持通訊連接的呢?你可能會(huì)說(shuō),是太陽(yáng)能。

沒(méi)錯(cuò),太陽(yáng)能的確是航天器的天然能源,在太空中沒(méi)有大氣層的遮擋,航天器獲取太陽(yáng)能的效率要比在地球上高了很多,但太陽(yáng)能只能為那些運(yùn)行在地球周圍的航天器提供能源,而對(duì)于那些朝著太陽(yáng)系外而去的航天器,便愛(ài)莫能助了。

比如1977年發(fā)射的旅行者2號(hào),現(xiàn)在它與我們的距離已經(jīng)超過(guò)了200億公里,在那里充斥著黑暗與寒冷,如果能夠從旅行者2號(hào)上向后看,那么太陽(yáng)不過(guò)是一個(gè)若隱若現(xiàn)的小亮點(diǎn),它再也沒(méi)有辦法為那些遠(yuǎn)去的航天器提供能源了。然而宇宙深空才是人類的目標(biāo),所以航天器還需要自給自足,那么航天器的能源從何而來(lái)呢?就來(lái)自于航天器上所搭載的核電池。

核電池,只是聽(tīng)這個(gè)名字就會(huì)讓我們聯(lián)想到核能,而在地球上,我們獲取核能的方式就是可控核裂變,也就是核電站。

核裂變過(guò)程會(huì)產(chǎn)生巨大的能量,而通過(guò)控制反應(yīng)的中子數(shù)量便可以將核裂變可控化,這就是核電站的基本原理,那么航天器所使用的核電池是不是也是這么回事呢?完全不是。航天器中的核電池與核裂變并不是一回事,其實(shí)核電池只是通俗的叫法,它真正的名字應(yīng)該是“放射性同位素電池”。

裝載在核電池內(nèi)部的主要物質(zhì)是一種名為“钚”的放射性元素的同位素,也就是钚238。我們知道,放射性元素由于自身的不穩(wěn)定,會(huì)發(fā)生衰變,而衰變簡(jiǎn)單來(lái)講就是放射性元素釋放出一部分粒子并轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的過(guò)程,而這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量發(fā)生虧損。

核裂變與核聚變?yōu)槭裁茨軌蜥尫懦鼍薮蟮哪芰??因?yàn)榱炎兒途圩兊倪^(guò)程都會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量的虧損,而虧損的質(zhì)量會(huì)以能量的形式被釋放出來(lái)。

根據(jù)質(zhì)能方程E=mc∧2,也就是能量等于質(zhì)量乘以光速的平方,因?yàn)楣馑偃≈?99792458,所以光速的平方是一個(gè)極大的數(shù)字,所以只需要微小的質(zhì)量就可以轉(zhuǎn)化為極高的能量,這就是核裂變與核聚變威力巨大的原因。與裂變反應(yīng)及聚變反應(yīng)相同,放射性元素的衰變過(guò)程也會(huì)出現(xiàn)極其微小的質(zhì)量虧損,而這些虧損的質(zhì)量也會(huì)以能量的形式被釋放出來(lái)。就以核電池中所使用的钚238來(lái)說(shuō)吧,它的原子核由94個(gè)質(zhì)子和144個(gè)中子所組成,在衰變的過(guò)程中會(huì)釋放出兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子,從而衰變?yōu)殁?34。而它所減少的質(zhì)量就會(huì)以熱量的形式被釋放出來(lái)。

現(xiàn)在有了熱量,只需要做一件事了,那就是把熱能轉(zhuǎn)化為電能,怎么轉(zhuǎn)化呢?利用熱電效應(yīng)。

早在1821年,德國(guó)物理學(xué)家塞貝克就發(fā)現(xiàn)了“溫差發(fā)電效應(yīng)”,當(dāng)時(shí)塞貝克將兩種不同的導(dǎo)線連接在了一起,然后對(duì)其中的一根導(dǎo)線進(jìn)行加熱,結(jié)果發(fā)現(xiàn)接近這組導(dǎo)線的指南針發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng),而原因就是這組導(dǎo)線產(chǎn)生了電壓,進(jìn)而產(chǎn)生了電流和磁場(chǎng)。

塞貝克雖然發(fā)現(xiàn)了溫差可以發(fā)電,但對(duì)于溫差為什么能夠發(fā)電,并沒(méi)有完全弄懂,而現(xiàn)在我們已經(jīng)弄懂了它的內(nèi)在原理,所使用的材料也早已換成了更為高效的半導(dǎo)體材料,那么溫差發(fā)電的原理到底是怎樣的呢?首先我們要從溫度的本質(zhì)說(shuō)起,所謂溫度就是物體內(nèi)部粒子運(yùn)動(dòng)速度的快慢,粒子運(yùn)動(dòng)速度越快,溫度就越高,反之溫度則越低,而粒子的運(yùn)動(dòng)是不會(huì)完全停止的,所以絕對(duì)零度也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

明白了溫度的本質(zhì),就可以說(shuō)說(shuō)溫差發(fā)電了,我們將一塊半導(dǎo)體材料放置在兩片金屬之間,然后對(duì)一片金屬進(jìn)行加熱,會(huì)發(fā)生什么呢?

受熱一面的半導(dǎo)體材料內(nèi)部粒子運(yùn)動(dòng)速度會(huì)加快,而另一面的粒子運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有變化,所以運(yùn)動(dòng)速度快的粒子會(huì)朝向運(yùn)動(dòng)速度慢的粒子移動(dòng),很快,大量的粒子擠到了冷的一邊,如果我們假設(shè)這些粒子帶有負(fù)電,那么此時(shí)這塊半導(dǎo)體材料也就帶有負(fù)電了,這就是溫差發(fā)電的內(nèi)在原理,可見(jiàn)將熱能轉(zhuǎn)化為電能是一件比較容易的事情。所以裝載在航天器上的核電池就是利用放射性原子的衰變產(chǎn)生熱量,再利用溫差發(fā)電原理將熱能轉(zhuǎn)化為電能,從而為航天器上設(shè)備提供能源。當(dāng)然,目前所使用的核電池不過(guò)是一種過(guò)渡性質(zhì)的能源設(shè)備,如果人類想要進(jìn)一步探索宇宙深空,還需要為航天器配備更強(qiáng)大的能源系統(tǒng)才行。

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