嫦娥仙子月宫取宝，天问一号火星探路，中国航天接连放大招，经历了高光时刻。但是啊，细心的网友注意到一个细节：美国“好奇”号火星车安装了核电池，在火星上开了8年，仍然精力充沛。其实不只好奇号，曾经的旅行号1号、2号、阿波罗登月飞船、新视野号，最新的毅力号等等，都使用了核电池，反观我们的的当家花旦嫦五和天问一号，依然是浑身披挂电池板，是它们不需要核电池，还是技不如人呢？这次咱们就来聊聊核电池是什么原理，为啥中国航天器很少用它。毕竟呢，这里面带个核字，人马君倒也不算特别外行。
好奇号在火星上漫游，红圈处即为核电池
为什么需要核电池？航天用的核电池全名叫空间核电源，分为两种，一种是用核反应堆来发电，一种是用放射性物质的辐射来发电，也叫同位素电池。很多朋友经常把这两个东西搞混，它俩确实不太好分辨。为什么要在航天器上用核电池呢？我们知道，卫星、宇宙飞船和空间站都是依靠电来运作的，太阳能电池板都是标配，因为阳光是太空中最容易获得的一种能量，而且技术成熟，工作可靠。缓缓张开的巨大电池板已经成为人们对航天器的固有印象。然而，随着人类探索宇宙的野心不断膨胀，越走越远，原本无处不在的太阳能竟然有些不够用了，这是为啥呢？
国际空间站上的太阳能电池板
先来看看最普通的地球卫星，正常情况下，卫星用太阳能发电是很容易的事，但它总有一段时间会位于地球背面的黑暗中，这时可以用蓄电池，用不了多久卫星就能转到有太阳那一面。但在月球表面，情况就恶化了。月球上一昼夜是一个月，也就是说有半个月的时间是黑夜，登陆月球的航天器，想用蓄电池来熬过漫长的月夜可不那么容易。我国的嫦娥四号、玉兔二号，在月夜都得休眠，最大程度的减少能耗，一直挨到下一个月昼来临才会再次唤醒。而嫦娥五号由于主要目的是采样返回，不具备过夜能力，必须在月夜来临之前完成挖土任务，否则就没电了！
嫦娥五号仅在白天工作
所以，登月凸显了太阳能电池的局限，但这还不是最糟糕的，如果我们想跨过火星甚至木星，远征太阳系外侧的海王星、冥王星，甚至冲出太阳系的话，你会看到太阳变得越来越暗，有气无力。此时就算一直处在阳光照射中，发出来的电也不足以维持工作，太阳能电池板基本上交枪投降，需要更强力的电池来救场了！
冥王星上的太阳有气无力
核电池的原理这个救火队员就是核电池，它利用核裂变或者核衰变的能量来发电，不再依赖太阳，就算走到地老天荒，只要寿命还没耗尽，就会源源不断的发出电能。而且它不用像电池板那样张开很大的面积，更容易抵御太空垃圾或陨石颗粒的撞击，在火星等其它行星上，也不会因为被尘土遮盖而降低效能，实在是居家旅行、杀人放火必备之神器。旅行者1号、2号凭借它，在百亿公里外还能与地球通信，用太阳能是万万做不到的。
飞掠冥王星的新视野号，核电池功不可没
前面说过，核电池分两种，用核反应堆来发电的这种，技术难度非常大，太空中一没有水源，二无法用海水或空冷塔来冷却，不能实现蒸汽动力循环，所以要用特殊的反应堆，比如热管反应堆，加上热电转换器件来发电。热管堆有点儿像电脑CPU的热管散热器，靠管内的液态金属相变带出热量，热电转换后的废热用巨大的辐射散热片向外辐射出去。这种电源的发电功率较大，可以达到几十几百千瓦。美国最先发射了一个空间核反应堆电源，苏联则在上世纪七八十年代一口气发射了34个。目前，各国都在研发更先进的反应堆电源，美国就打算在月球上建设空间堆，为开发月球服务。
美国设计的空间核反应堆电源
下面重点介绍下应用更为广泛的放射性同位素核电池。它利用核衰变来产生电能，种类也很多，有利用衰变热量的热电式，也有用辐射照射半导体直接产生电流等等，但最常见的还是热电式，也叫同位素温差电机（RTG），典型的就是钚238核电池，钚238是一种非常理想的核电池材料，它在自然界中并不存在，靠人工制取，半衰期88年。虽然放射性很强，但却仅释放出α射线，用一张纸就能挡住，甚至无法穿透皮肤，很容易屏蔽，因此可以给心脏起搏器来供电。用钚238衰变产生的热量作为热源，配上热电转换器件，就构成了核电池，寿命可达几十年。
毅力号搭载的钚238核电池
现在热电转换器件的效率还比较低，只有6%到8%左右，多余的废热还是需要辐射散热，这种核电池的功率较小，一般不超过1千瓦，像好奇号核电池初始功率是125瓦，随着钚238的衰变，功率还会不断降低。美国曾在25次航天任务中使用了43个钚238核电池，目前还有约30个在太空中运行，旅行者1号、2号和卡西尼号都携带了3个核电池。苏联/俄罗斯虽然在数量上不及美国，但是也能生产。而我国在嫦娥三号任务才首次使用核电池，但发不了电，用来作为热源以熬过寒冷的月夜，目前只有嫦娥四号着陆器装的那块能发出2瓦的电，跟好奇号没法儿比，就这还是个俄国货，让不少人耿耿于怀。而风头最劲的嫦娥五号，和即将登陆火星的天问一号干脆就没有安装核电池，其中的原因是多方面的。
天问一号火星车，纯靠太阳能供电
中国航天器为什么很少用核电池首先，核电池含有强放射性物质，必须慎之又慎。像钚238，虽然容易屏蔽，但如果泄漏出来，会造成严重污染，一旦进入人体形成内照射，有可能引发癌症，后果不堪设想。而航天任务谁也不能保证100%成功，美国人也不行，曾经搞出了三次事故，例如1964年的子午仪导航卫星发射后在大气层中烧毁，携带的钚238被烧成尘埃，散布在各地。最著名的一次就是阿波罗13号，由于任务失败，核电池在重返大气层时坠入太平洋，到现在也没捞上来。
阿波罗登月舱上也装了核电池，用来给留在月面的月球站供电
俄国人同样也发生了三次事故，包括使用反应堆的宇宙954和宇宙1402卫星，和使用钚电池的火星96探测器，最后都坠落了。如此巨大的风险，对火箭发射的可靠性提出了极高的要求。嫦娥三号、四号都是用长征三号乙这种成熟型号发射的，而发射嫦五和火星探测器的长征五号，以往的状态不是那么稳定。一旦失败，放射性物质泄漏，后果将是灾难性的。如果让我来决定，我也不敢轻易上核电池，这个责任谁担得起呀？
长征五号的状态一度不稳定
第二个原因是，对嫦娥五号来说，任务全部在白天完成，确实不需要核电池。对于天问一号，火星离开太阳不远，夜晚也不算长，太阳能电池板还算够用，天问火星车的设计寿命也不像好奇号、毅力号那么长，对核电池的需求没那么急迫。最后一个原因：钚238实在是太贵了，需要把镎放到反应堆里辐照，连美国一年也产不了几两，财大气粗的NASA用起核电池来，还经常得从俄罗斯买原料，只能感叹“地主家也没有余粮啊”！
正在发热的钚238
不过，我们现在没有使用核电池，不代表将来不用。随着长征五号火箭的日渐成熟，火星之外的深空探测任务也陆续提上日程。假如我们要远征冥王星的话，不用核电池是不太现实的。所以，还请大家拭目以待，没准过不了多久就会有惊喜哟！
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