“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。”

方钴矿兼具金属的导电性和玻璃的热绝缘性

从太空到地球

基于方钴矿材料的巨大优势，JPL正在研究如何将方钴矿做成热电偶。热电偶是利用原件内部温差而产生电压的装置。与其它材料相比，方钴矿热电偶能以较小温差产生同等电力。因此方钴矿热电偶的热电效率更高。

好奇号的电力系统采用的是MMRTG。768根碲合金制成的热电偶朝同一方向围成一圈，都对着发电机中心的热源（即衰变原料储藏器）。增强型MMRTG，即eMMRTG系统热电偶数量同样是768，不同的只是材料换成了方钴矿。

2015年底，方钴矿热电偶通过了NASA的首次审查。如果它能在2017年和2018年通过进一步审查，eMMRTG将被用来执行NASA“新疆界计划”的下一个任务。

除了用以太空计划外，热电材料在地球上的应用前景同样广阔。

“方钴矿可以将废热转化为有用电力，进而提高能量效率，”JPL的一位负责人说道。

从太空到地球，高性能热电材料的应用无处不在

比如，将汽车尾气的热量转化为电能可以给汽车电池充电，这样汽车还能更省油。像陶瓷和玻璃处理等高温环境的工业进程同样可以用方钴矿收集废热。2015年，纽约一家公司就从JPL获得了高温热电材料的专利许可。

“过去20年内，热电领域蓬勃发展，这在JPL尤为明显，”弗勒里埃尔说，“这方面和很多重大科学突破。这种材料不但能应用于航空领域，同时还能造福美国工业，我们感到很荣幸。”

原理解释

何谓热电材料？

热电材料是能将材料温差与电能相互转换的材料。

何谓热电偶？

传统热电偶有两种不同热电材料连接而成。当热电偶受热时，两种不同导热率的材料有不同的温度，在连接点就形成了温差。这种温度梯度会导致电子定向移动而产生电动势，将部分热能转换为电能。

热电偶是如何工作的？

热电偶在日常生活中很普遍，热水器、电烤箱都有用到热电偶。家用电器的热电偶效率一般很低，它们产生的电压很小，电流也极其微弱。与之相比，方钴矿热电偶的效率要高得多，它在很小的温差下就能产生有效电压。

NASA希望方钴矿热电偶内部产生的电力是方波型的，有明显的上升沿和下降沿以及平顶段。热电偶的热量从高温端传到低温端，在导体端部几乎没有电流，在热电偶中间却有稳定均匀的电流。

“这就像有一冷一热两个相邻的房间，”JPL的布克斯说，“人群（电子）从热房间像冷房间转移。人群（电子）定向移动就形成了电流。”

将很多热电偶再相互连接起来，就会获得可观的电流。热电偶使用的热源也很多样，温度从200℃到1000℃不等。