作為這個星球上航天科技最強的國家，美國已經實現了毅力號火星車的成功著陸，並開始任勞任怨的工作。這臺火星車設計在火星上工作2年，但曉木認為，絕不止兩年，因為這臺火星車與此前的好奇號一樣，搭載了最為強大的核電池，而好奇號卻已經工作超過了八個年頭。那麼，核電池到底是什麼樣的存在呢，能如此的耐用？

美國毅力號火星車

核電池，又叫放射性同位素熱發電機（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG），它主要是將鈽238衰變產生的穩定熱量，透過熱電材料所組成的熱電偶轉換器件，轉換為電能。換句話說，核電池主要是兩部分工作原理：熱量產生+熱量轉換，熱量產生過程，主要是放射性核素的衰變反應，而熱量轉換，則是用到了熱電材料。

毅力號核電池

而我們生活中，有許多費了九牛二虎之力而生產的熱，經過使用後又廢棄掉，是不是很浪費？如果我們能將這些熱量收集起來加以利用，就會大大提高能源的迴圈使用。而且如今發電方式，佔主流的依然是化石燃料的燃燒，如果能廢熱轉換而發電，也從另一方面保護了環境。現代的製冷指數帶給我們很多的便利，但氟利昂的過度使用卻破壞了環境，熱電材料以其獨特的效能，有望成為未來的明星材料，因為它具有溫差發電和溫差製冷的雙重效能。

工業中的餘熱

何為熱電材料？

何為熱電材料呢？熱電材料應用是近十幾年才出現的，但其熱電轉換的規律，卻已歷史悠久。早在1823年，德國科學家塞貝（Seebeck）克發現，材料兩端的溫度差可以產生電壓，也叫塞貝克效應（Seebeck effect），也是通常所說的溫差電現象、而在1834年，法國科學家珀耳帖（Peltier）發現，電流透過不同的導體組成的迴路時，除產生不可逆的焦耳熱外，在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象，也叫做珀耳帖效應。這兩個現象表明，熱不但可以產生電，而同時電又可以反過來制熱或者製冷。

熱電效應原理圖

溫差發電的熱電材料，一般是碲化鉛（PbTe)及其合金，其最佳運作溫度大約為1000℃，此外還有矽鍺（SiGe）合金，它的最佳運作溫度大約為1300℃；而溫差製冷的熱電材料，一般是碲化鉍（Bi2Te3）及其合金，其最佳運作溫度<450℃。

溫差發電，豐富了發電方式

我們知道，毅力號核電池，具有自發反應，無需外力就可以實現熱點轉換，而這其實是熱電材料的常規操作，它的使用不需要傳動部件，工作時無噪音，無排棄物，和太陽能、風能等同屬清潔的二次能源，而且對環境沒有汙染，效能可靠，使用壽命長。

熱電材料的確很神奇，溫差可以發電，發的電在產生焦耳熱的同時，又能製冷。也就是說，如果熱電材料同時接觸兩個不同溫度時，就會在材料內部產生電流。而且溫差越大則產生的電流越大。我們可以腦洞大開，例如可以將可穿戴裝置緊緊貼著身體，利用體溫和外界溫度的差異來發電，進而驅動可穿戴裝置，這樣的電子裝置就不需要電池了。這種想法並非異想天開，在日本和德國，目前已經開發出利用人體體溫與外界溫度的溫差發電，進而來驅動手錶工作。

可穿戴裝置

除了前面講到的毅力號航天器上使用了熱電材料，其實熱電材料作為感測器和溫度控制器在微電子器件中也有廣泛的使用。例如，可將熱電發生器應用於人造衛星實現長效遠距離、無人維護的熱電發電站。想想看，我們還可以將工業的廢棄熱收集起來發電，並再次為工業生產供熱，形成能量的迴圈使用。目前，歐美國家已經有部分的產品問世，相信在不久的將來，熱電材料的應用會更加廣泛。

人造衛星

溫差製冷，讓冷熱再次交替

熱電製冷也有著非常神奇的應用，例如利用熱電材料製冷的原理，可以替代目前環境不友好的氟利昂，用在冰箱中。同時也可以為醫學、高效能紅外感測器，以及在超導材料製備中，為裝置提供恆溫的低溫環境。

醫學儀器

在武器裝備方面，國外曾經將半導體制冷技術，用在紅外製導的空對空導彈的紅外探測頭的冷卻中，以降低工作噪音，提高靈敏度和探測率。俄羅斯的米格戰鬥機配備的AA-8和AA-11系列導彈就是利用溫差製冷原理，對紅外探測系統進行溫度控制。2002年，哈勃太空望遠鏡上安裝了近紅外相機和多目標光譜儀，其中相機的3個熱保護板中有兩個採用熱電製冷原理來冷卻。

哈勃望遠鏡

發動機廢棄餘熱能發電嗎？

根據溫差發電的原理，發動機的餘熱當然可以用來發電，這樣一來，發動機及時將熱量轉換成電能，不至於因熱量長時間積累，而損壞發動機，同時還獲得電能，是個一舉兩得的事情。這是一個不錯的想法，但要實現這樣的實際應用，需要具備良好的熱量收集能力，熱電材料具有足夠高的轉換效率，以及一個複雜的熱電轉換系統。

紅外顯示發動機溫度過高，如果能把餘熱發電，豈不妙哉？

放眼未來，熱電材料的研發是關鍵

不管人類有如何美好的願景，如何大膽地創意，最終都要落到實際的材料上。而關乎熱電材料效能好壞的關鍵因素，則是熱電材料的轉換效率，即熱電優值，是和材料的電導率成正比，和熱導率成反比。所以，在材料的選擇和開發上，需要這些方面下功夫。

科學研究仍需努力

目前，我國的熱電材料研發和生產，在國際上處於領先地位，中低端熱電製冷片年產量可達100萬件以上，初步形成規模化。但對於高效能且精密加工的熱電材料生產，尚存在技術差距。例如在最大製冷溫度高的微型的多級器件的製冷片的製備方面，依然是比較困難的，仍然需要我輩持續不斷地努力。