嫦娥仙子月宮取寶，天問一號火星探路，中國航天接連放大招，經歷了高光時刻。但是啊，細心的網友注意到一個細節：美國“好奇”號火星車安裝了核電池，在火星上開了8年，仍然精力充沛。其實不只好奇號，曾經的旅行號1號、2號、阿波羅登月飛船、新視野號，最新的毅力號等等，都使用了核電池，反觀我們的的當家花旦嫦五和天問一號，依然是渾身披掛電池板，是它們不需要核電池，還是技不如人呢？這次咱們就來聊聊核電池是什麼原理，為啥中國航天器很少用它。畢竟呢，這裡面帶個核字，人馬君倒也不算特別外行。
好奇號在火星上漫遊，紅圈處即為核電池
為什麼需要核電池？航天用的核電池全名叫空間核電源，分為兩種，一種是用核反應堆來發電，一種是用放射性物質的輻射來發電，也叫同位素電池。很多朋友經常把這兩個東西搞混，它倆確實不太好分辨。為什麼要在航天器上用核電池呢？我們知道，衛星、宇宙飛船和空間站都是依靠電來運作的，太陽能電池板都是標配，因為陽光是太空中最容易獲得的一種能量，而且技術成熟，工作可靠。緩緩張開的巨大電池板已經成為人們對航天器的固有印象。然而，隨著人類探索宇宙的野心不斷膨脹，越走越遠，原本無處不在的太陽能竟然有些不夠用了，這是為啥呢？
國際空間站上的太陽能電池板
先來看看最普通的地球衛星，正常情況下，衛星用太陽能發電是很容易的事，但它總有一段時間會位於地球背面的黑暗中，這時可以用蓄電池，用不了多久衛星就能轉到有太陽那一面。但在月球表面，情況就惡化了。月球上一晝夜是一個月，也就是說有半個月的時間是黑夜，登陸月球的航天器，想用蓄電池來熬過漫長的月夜可不那麼容易。我國的嫦娥四號、玉兔二號，在月夜都得休眠，最大程度的減少能耗，一直捱到下一個月晝來臨才會再次喚醒。而嫦娥五號由於主要目的是取樣返回，不具備過夜能力，必須在月夜來臨之前完成挖土任務，否則就沒電了！
嫦娥五號僅在白天工作
所以，登月凸顯了太陽能電池的侷限，但這還不是最糟糕的，如果我們想跨過火星甚至木星，遠征太陽系外側的海王星、冥王星，甚至衝出太陽系的話，你會看到太陽變得越來越暗，有氣無力。此時就算一直處在陽光照射中，發出來的電也不足以維持工作，太陽能電池板基本上交槍投降，需要更強力的電池來救場了！
冥王星上的太陽有氣無力
核電池的原理這個救火隊員就是核電池，它利用核裂變或者核衰變的能量來發電，不再依賴太陽，就算走到地老天荒，只要壽命還沒耗盡，就會源源不斷的發出電能。而且它不用像電池板那樣張開很大的面積，更容易抵禦太空垃圾或隕石顆粒的撞擊，在火星等其它行星上，也不會因為被塵土遮蓋而降低效能，實在是居家旅行、殺人放火必備之神器。旅行者1號、2號憑藉它，在百億公里外還能與地球通訊，用太陽能是萬萬做不到的。
飛掠冥王星的新視野號，核電池功不可沒
前面說過，核電池分兩種，用核反應堆來發電的這種，技術難度非常大，太空中一沒有水源，二無法用海水或空冷塔來冷卻，不能實現蒸汽動力迴圈，所以要用特殊的反應堆，比如熱管反應堆，加上熱電轉換器件來發電。熱管堆有點兒像電腦CPU的熱管散熱器，靠管內的液態金屬相變帶出熱量，熱電轉換後的廢熱用巨大的輻射散熱片向外輻射出去。這種電源的發電功率較大，可以達到幾十幾百千瓦。美國最先發射了一個空間核反應堆電源，蘇聯則在上世紀七八十年代一口氣發射了34個。目前，各國都在研發更先進的反應堆電源，美國就打算在月球上建設空間堆，為開發月球服務。
美國設計的空間核反應堆電源
下面重點介紹下應用更為廣泛的放射性同位素核電池。它利用核衰變來產生電能，種類也很多，有利用衰變熱量的熱電式，也有用輻射照射半導體直接產生電流等等，但最常見的還是熱電式，也叫同位素溫差電機（RTG），典型的就是鈽238核電池，鈽238是一種非常理想的核電池材料，它在自然界中並不存在，靠人工製取，半衰期88年。雖然放射性很強，但卻僅釋放出α射線，用一張紙就能擋住，甚至無法穿透面板，很容易遮蔽，因此可以給心臟起搏器來供電。用鈽238衰變產生的熱量作為熱源，配上熱電轉換器件，就構成了核電池，壽命可達幾十年。
毅力號搭載的鈽238核電池
現在熱電轉換器件的效率還比較低，只有6%到8%左右，多餘的廢熱還是需要輻射散熱，這種核電池的功率較小，一般不超過1千瓦，像好奇號核電池初始功率是125瓦，隨著鈽238的衰變，功率還會不斷降低。美國曾在25次航天任務中使用了43個鈽238核電池，目前還有約30個在太空中執行，旅行者1號、2號和卡西尼號都攜帶了3個核電池。蘇聯/俄羅斯雖然在數量上不及美國，但是也能生產。而我國在嫦娥三號任務才首次使用核電池，但發不了電，用來作為熱源以熬過寒冷的月夜，目前只有嫦娥四號著陸器裝的那塊能發出2瓦的電，跟好奇號沒法兒比，就這還是個俄國貨，讓不少人耿耿於懷。而風頭最勁的嫦娥五號，和即將登陸火星的天問一號乾脆就沒有安裝核電池，其中的原因是多方面的。
天問一號火星車，純靠太陽能供電
中國航天器為什麼很少用核電池首先，核電池含有強放射性物質，必須慎之又慎。像鈽238，雖然容易遮蔽，但如果洩漏出來，會造成嚴重汙染，一旦進入人體形成內照射，有可能引發癌症，後果不堪設想。而航天任務誰也不能保證100%成功，美國人也不行，曾經搞出了三次事故，例如1964年的子午儀導航衛星發射後在大氣層中燒燬，攜帶的鈽238被燒成塵埃，散佈在各地。最著名的一次就是阿波羅13號，由於任務失敗，核電池在重返大氣層時墜入太平洋，到現在也沒撈上來。
阿波羅登月艙上也裝了核電池，用來給留在月面的月球站供電
俄國人同樣也發生了三次事故，包括使用反應堆的宇宙954和宇宙1402衛星，和使用鈽電池的火星96探測器，最後都墜落了。如此巨大的風險，對火箭發射的可靠性提出了極高的要求。嫦娥三號、四號都是用長征三號乙這種成熟型號發射的，而發射嫦五和火星探測器的長征五號，以往的狀態不是那麼穩定。一旦失敗，放射性物質洩漏，後果將是災難性的。如果讓我來決定，我也不敢輕易上核電池，這個責任誰擔得起呀？
長征五號的狀態一度不穩定
第二個原因是，對嫦娥五號來說，任務全部在白天完成，確實不需要核電池。對於天問一號，火星離開太陽不遠，夜晚也不算長，太陽能電池板還算夠用，天問火星車的設計壽命也不像好奇號、毅力號那麼長，對核電池的需求沒那麼急迫。最後一個原因：鈽238實在是太貴了，需要把錼放到反應堆裡輻照，連美國一年也產不了幾兩，財大氣粗的NASA用起核電池來，還經常得從俄羅斯買原料，只能感嘆“地主家也沒有餘糧啊”！
正在發熱的鈽238
不過，我們現在沒有使用核電池，不代表將來不用。隨著長征五號火箭的日漸成熟，火星之外的深空探測任務也陸續提上日程。假如我們要遠征冥王星的話，不用核電池是不太現實的。所以，還請大家拭目以待，沒準過不了多久就會有驚喜喲！