提到「核」这个字, 不了解的人可能闻之色变.
但他们并不知道, 如果正确利用, 核能可以被合理地运用在许多地方.
比如在航天领域, 上世纪 70 年代就有同位素电池 (即核电池) 搭载在火星探测器上. 而经过 40 年的发展, 核电池技术也变得愈发成熟.
不过, 相对日常生活中随处可见的锂电池而言, 核电池的发展并不如想象中那么快, 至少在手机, 电脑等电子设备中, 至今还没有它们的踪影.
但从安全以及性能的角度来看, 核电池都有很大希望在未来一段时间实现商业化落地, 甚至进入我们的日常生活当中. 想必它也会像自动驾驶, VR 等等的创新技术一样, 慢慢改变这个世界.
核电池, 从太空起步
2019 年 1 月 3 日, 在太空中飞行了近一个月的嫦娥四号顺利着陆, 开始探索月球背面. 与它的前一代探测器 -- 嫦娥三号一样, 嫦娥四号内置了核电池作为其能源的一部分.
核电池在航天航空领域不算什么新鲜的东西. 早在 1961 年, 核能就开始在太空领域得以应用. 1977 年美国发射的无人外太阳系空间探测器 -- 旅行者 1 号, 一直到现在还在宇宙中漂泊, 这 43 年来唯一支撑它正常工作的动力, 就是内部搭载的三枚核电池.
在宇宙中已经漂泊 43 年, 离开太阳系的旅行者 1 号. 内部的核电池还能支撑它继续工作 5 年 | 视觉中国
这里要简单解释一下核电池的运行原理, 核电池主要依靠放射性元素的自身衰变产生热量, 然后通过热电材料将热能转化为电力. 在飞船的核电池中, 放射性元素基本上都指的是钚 - 238.
2011 年美国发射的好奇号火星探测器同样使用了核动力. 据悉, 好奇号火星探测车利用钚 - 238 衰变热进行热电转换工作, 设计寿命可达 40-50 年以上.
但是中国最近刚刚发射成功的「天问一号」任务中, 火星探测器中并没有出现核电池的身影. 这是为什么?
能量转换效率是其中一个很重要的考量因素. 钚 - 238 核电池的能量转换效率不到 10%, 并不算高. 如果想要进行长期探测, 必须增加电池重量或者携带更多钚 - 238, 无形之中增加了许多成本, 也加大了火星探测器的载重负荷. 天问一号任务的预计探测时间仅为 3 个月, 携带实验器材并不多, 只需要太阳能就能满足需求.
天问一号上搭载的太阳能电池面板 | 视觉中国
另外, 钚 238 属于高放射性物质, 人体吸入一小粒灰尘都可能引发致命的癌症, 考虑到中国是首次自主进行火星探测器发射, 一旦发射中出现任何问题会产生很大的安全风险(美国之前就发生过类似的事件, 导致钚 238 被释放到大气中.)
所以无论从安全还是性价比来看, 天问一号上搭载太阳能电池是最佳选择.
嫦娥四号上同样搭载了太阳能电池作为主要动力, 核电池在其中的作用比较特殊. 月球的昼夜半个月交替一次, 温差高达 300℃, 普通电池根本无法应对. 这时核电池起到了「保暖」的作用, 利用自身散发的热能保温, 维持与地面的通讯, 白昼来临时, 太阳能电池驱动探测器开始工作.
亲民的氚电池
除了钚 238, 另一种核电池就低调得多, 成本上也更加「亲民」.
航空航天领域对核电池的要求是必须提供足够的能量, 因此体积和放射性上没有太多限制. 而把核电池用作商业用途, 就必须考虑到这两点.
贝塔伏特电池 (Betavoltaic Battery) 成了最合适的选择.
和产生热能转化电力的原理不同, 贝塔伏特电池主要利用同位素 (比如氚, 即氢的同位素) 的β衰变. 值得说明的是,β衰变对物质的穿透深度非常浅, 普通纸张就能挡住, 并不存在辐射伤害.
所以利用氚元素发电实际上已经有了一些民用级产品, 比如我们经常在电影院或者室内消防通道上的安全出口指示牌, 内部就靠氚气发光. 如果你现在在某宝搜索「氚」, 得到的结果都是可发光的氚气管, 价格在几十到几百元不等, 并没有什么实际价值.
常见的安全出口指示牌, 里面就由氚气来维持发光 | Unspalsh
但它并非完全一无是处. 同样, 某宝 2012 年的时候就出现过一款氚电池, 号称 20 年不断电, 不充电, 一小块电池的价格达到了近 7000 元, 可谓是天价. 这款名为 NanoTritium 的电池并不是什么山寨产品, 而是货真价实的首款可商用氚电池, 来自美国公司 City labs.
早年间某宝上挂售过氚电池, 号称 20 年不断电不充电 | 网络
City labs 一直在研究核电池的相关应用, 公司的研究总监 Larry Olsen 在上世纪 70 年代就设计了以钷 - 147 元素为基础的核电池 Betacel, 用于心脏起搏器. 但钷 - 147 的问题在于, 虽然它也属于β衰变, 但它在衰变过程中会同时释放出具有强辐射的γ射线, 所以 Betacel 需要在电池内部腾出大量空间屏蔽辐射. 最终因「性价比」不如锂电池, 而逐渐退出历史舞台.
City labs 的 CEO Peter Cabauy 此前接受采访称, 贝塔伏特电池技术正在重新兴起, 因为半导体材料已经取得了很大进步.「早期的半导体材料不足以将电子从β衰变转换为可用电流.」
基于半导体材料技术的进步, 在全球范围内一些企业也开始立志将核电池商业化, 这些「玩核」的公司, 也逐渐浮出了水面.
核电池民用化的商业模式
作为目前最有可能商业化的核电池技术, 全球各个国家都在进行贝塔伏特电池的研究. 因为技术门槛相对较高, 企业也相应较少, 上面提到的 City labs 算是氚电池研究行业中的「鼻祖」.
另一家做氚电池的公司 Widetronix 公布过电池的制造原理, 由浸有氚元素的金属箔和半导体碳化硅薄片组成. 碳化硅薄片可以将击中金属箔的 30% 的粒子转化为电流. 当 Widetronix 把二者堆积成一个一平方厘米和十分之二厘米高的包装时, 就是氚电池.
氚电池的基本原理大致相同, 但材料和反应方式不同, 存在一些细微差异.
City Labs 公布的氚电池工作原理图 | City Labs
来自上海的紫电能源也在从事核电池的研发, 同样是利用氚气释放的β电子流轰击薄膜材料的原理, 但紫电能源将电子与紫外线产生光电效应, 将光能转化为电能.
「这种方式可以大幅提高功率, 用在一些常见的产品当中.」紫电能源团队在接受极客公园 (ID:geekpark) 采访时表示. 至于公司使用的是哪种材料, 紫电能源方面并未透露.
如果将核电池做到民用级别, 贝塔伏特电池有着明显的优劣势. 氚的半衰期是 12.5 年, 所以产品寿命可以保持很长, 且过程中无需充电. 在人们最关注的电池安全问题上, 贝塔伏特电池比锂电池适用的温度范围更广, 这些都是核电池的最大优势.
City labs 和 Widetronix 均声称在著名国防承包商洛克希德马丁公司经过测试, 电池经历了从 - 50ºC 到 150°C 的热循环, 没有降解.
但是, 与锂电池等化学电池相比, 贝塔伏特电池的缺点是输出功率低, 这也是紫电能源想解决的问题. Widetronix 生产的 1x1x0.2cm 大小氚电池, 产生的功率为 1 微瓦 (μW), 即 0.000001 瓦. 而一只普通的智能手机(就按 3.7V,2000mAh) 也要使用几百毫瓦(mW).
紫电能源正在尝试制作基于氚气光敏电池的充电宝, 已经进入小批量试用验证阶段. 据极客公园了解, 紫电能源已经开始组建工厂及生产线, 充电宝产品预计明年进入量产阶段.「产品性能可以达到 12V1A, 与现在的充电宝完全一致.」紫电能源方面称.
紫电能源旗下的氚气光敏电池 | 紫电能源
如果充电宝产品能顺利量产, 对于核电池产业是一个不小的突破. 因为贝塔伏特电池的特性, 它能使用的场景十分有限. 根据 City labs 的官网, 贝塔伏特电池在长期使用, 低功率, 且非常需要持续供电的设备中是最完美的选择. 因此, 国防电子, 传感器, 航空航天, 医疗设备等场景都是目前贝塔伏特电池在攻克及应用的领域.
不难预见, 技术发展的方向是民用化, 最日常的事物因此发生改变, 是这个技术能够产生最深刻的影响.
核电池同理, 相对局限的应用领域对应的是小众场景, 也有公司在对手机, 无人机, 新能源汽车等更加通用的行业进行相关研究.
试想, 如果手机厂商抛弃掉「充电 5 分钟刷剧 x 小时」的广告, 自信说出手机 10 年不用充电; 如果电动汽车内部搭载的电池可以保持高性能, 且接近 10 年都无需充电或更换, 对于这些已经存在许多年的行业产生的颠覆, 将不可估量.
来源: http://www.geekpark.net/news/264692