不需要充电就能用几十年的电池竟源自200年前的一个发现?

手机现在已经成为了当代生活的必备工具,小编都已经患上了手机没电恐惧症:一看见手机电量低于100%就迫不及待地想连上充电线,出门不带个充电宝就觉得不安全。

要是有一种可以一直使用而无需充电的电池就好了,手机没电恐惧症什么的从此以后都是不存在的。说到“可以一直使用而无需充电的电池”,现实生活中确实有这样一种电池,这就是放射性同位素温差电池,也叫放射性同位素温差发电器,不过别高兴得太早,目前它还无法应用在手机上。放射性同位素温差发电器最重要的原理是热电效应,这个效应的发现最早能追溯到200年前~

工人在卡西尼号航天器上安装放射性同位素温差发电器(RTG)| 来源:NASA

塞贝克效应

热电效应有三种,分别是塞贝克效应(Seebeck effect)、帕尔帖效应(Peltier effect)和汤姆森效应(Thomson effect)。

1821年(四舍五入一下就是200年前了)德国物理学家塞贝克发现,将两种不同金属的两端相互连接构成闭合回路,如果两个接触点所处的温度不同,那么回路中就有电流产生,这个现象后来被命名为塞贝克效应。而这样的电路叫做温差电偶,电路中产生电流的电动势叫做温差电动势

金属的塞贝克效应所产生的温差电动势很小。比如,铁与铜的冷接头处为1℃,热接头处为100℃,那么只有5.2mV的温差电动势产生。如果把若干个温差电偶串联起来,把奇数个接头暴露于热源,偶数个接头暴露于冷源,这样产生的电动势等于各个电偶之和,这种装置叫做温差电堆[1]。

温差电堆 | 来源:Wikipedia

金属的塞贝克效应产生的温差电动势太小了,就别想着用温差来发电了╮(╯-╰)╭。既然用来发电不行,那么能不能有其他的用途,比如热接头与冷接头之间的温度与温差电动势是不是有什么神秘的联系,如果有的话,岂不是可以当温度计来用了吗?

这种特殊的“温度计”就叫做热电偶,由于热电偶产生的电动势很小,实际上往往用的是热电偶堆。对同样的温度差而言,热电偶堆的温差电动势要比单个热电偶产生的大得多,用它制成的热电偶温度计灵敏度也高。当热电偶的正负极材料确定以后,温差电动势的大小只与热电偶的两端温度有关。如果冷端(通常称为参比端)温度恒定,则温差电动势就只与热端温度有关。热电偶的量程很大,可以测上千摄氏度的高温,就是精度不太高,系统误差一般大于0.1℃ [2]。比如实验室中经常要用到的马弗炉、石英管式炉里边就有热电偶。

热电偶 | 来源:wika

不仅仅是金属,半导体也有塞贝克效应,热端的载流子会流向冷端,在回路中产生电流。相比于金属,半导体产生的温差电动势更大,因此可以用来制作温差发电机,可以带动小型电子设备,比如小风扇、LED灯等等。

半导体的塞贝克效应 | 来源:Gfycat

下面这个就是自制的温差发电机,底部利用蜡烛加热温差发电片的一面,另外一面则用风扇散热,使得温差发电片两面产生温度差从而产生温差电动势。而让风扇转动的能量来源就是温差发电片所产生的电能。

来源:GeekFans.com

铺垫了这么多,下面就来介绍一下今天的主角——放射性同位素温差发电器(Radioisotope Thermoelectric Generator,缩写为RTG)。顾名思义,它是一种利用放射性同位素获取能量的发电装置。因为放射性同位素在衰变的时候会释放热量,而使用温差电堆则可以把部分热量转化成电能,供给设备使用。

放射性同位素温差发电器主要由两个部分组成,分别是放射性同位素热源温差电堆,一个负责提供热量,一个负责发电。美国空间用的同位素电池几乎都使用了钚238(与用作核武器装料的钚239性质不同),这是因为它具有合适的功率密度(0.41 W/g);足够长的半衰期(87.7年,热功率衰变<1%/年)和很低的γ辐射(可大大减轻屏蔽重量)等优点 [3]。

衰变放出巨大的能量使钚238加热至烧红的程度 | 来源:Wikipedia

肯定有小可爱会问,空间探测器不是都有太阳电池吗,为什么还要用同位素电池?如果空间探测器前往探测其他星球(比如冥王星),离太阳越来越远,阳光越来越弱,太阳电池就无法正常工作,这时候同位素电池就成了唯一的选择。同位素衰变时释放的能量大小和释放速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场的影响[4],所以能运行在恶劣的环境,并且具有高功率、长寿命的特点。除了空间探测器,苏联建立在极地的灯塔也使用了同位素电池,这样可以减少维护的成本。

在2011年11月26日发射的好奇号火星探测器就是由放射性同位素温差发电器供电的。因为好奇号携带了大量的科学仪器,而太阳电池产生的能量无法驱动这么多的设备。使用同位素电池不仅可以摆脱对阳光的依赖,无论白天黑夜都能提供稳定的功率,而且让好奇号有更长的使用寿命。在任务初期,同位素电池可以可靠地在任何状况下提供约125W的功率输出,这个数字会随着核燃料的衰变而逐年降低,但14年后应该还有100W的功率输出 [5]。而当年勇气号的太阳能帆板被火星的沙尘覆盖,已经永远无法苏醒过来了 [4]。

同位素电池位于好奇号的后部 | 来源:Wikipedia

除了放射性同位素温差发电器,空间探测器上还会配备放射性同位素加热器(Radioisotope heater unit,RHU),用来加热探测器上的电子器件的,不然在低温下这些设备将无法工作。

帕尔帖效应

既然温差可以产生电流,那么反过来,电流能不能产生温差?实际上确实是可以的,这个就是帕尔帖效应,它是塞贝克效应的逆效应。1834年法国人帕尔帖发现,当电流通过由两种不同的金属相接而成的导体时,一个接触点会吸热而另外一个接触点会放热。同样的,半导体也有帕尔帖效应,通电之后,半导体中的载流子从冷端流向热端。

半导体的帕尔帖效应 | 来源:Gfycat

在许多年以前的一个炎热的夏天,还是初中生的小编喝了杯从饮水机中接出来的“冰水”后陷入了深深的思考:饮水机是怎么实现制冷的呢?如果是像冰箱那样用上了压缩机,那又是怎么把压缩机做得那么袖珍,小到可以塞进小小的饮水机,并且运行的时候还能那么安静。

直到上了大学,小编在课堂上学到热电效应的时候才恍然大悟,原来饮水机不是压缩机制冷,而是温差电制冷。所谓温差电制冷就是利用半导体制冷片的帕尔帖效应。将半导体制冷片的冷端放在箱体内部,热端口放在箱体外部,通电后,箱体内部的冷端吸收热量后再从箱体外部的热端放出。为了提高制冷效率,半导体制冷片的热端需要风冷或者水冷散热。

饮水机中的帕尔帖模组 | 来源:rimstar.org

上面的两张图就是饮水机中的制冷模组,电风扇后面的就是半导体制冷片,为了增强散热,还用上了散热片,用于提高散热面积。除了饮水机,还有一些小冰箱用的也是温差电制冷的原理,比如一些车载冰箱。知道了原理,其实我们也可以DIY一台小冰箱,物理所今年的公众科学日的“科学真下饭”环节就现场演示了怎么DIY一个小冰箱(点击下方的图片即可观看回放)

如果不想那么麻烦的话,直接像下面这样操作也好像不是不可以。

来源:maker.pro

与蒸气压缩式制冷相比,半导体制冷的主要优点是它没有活动部件和循环液体,不用担心制冷剂的泄漏,尺寸小且形状灵活。但它的制冷效率不高,如果要短时间内冷却大量的水,那还是用蒸汽压缩式制冷吧。

参考资料

[1] 赛贝克效应及其逆效应(热电偶原理)

[2] 热电偶,维基百科

[3] 放射性同位素电池在火星上

[4] 核电池:上天入海显神通

[5] 好奇号,维基百科

编辑:重光

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