核能电池：航天领域的“能量之源”

核能电池：航天领域的“能量之源”

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中国科学院

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来源

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https://www.cas.cn/zt/kjzt/2024kjpd/bdpd/202412/t20241231_5043891.shtml

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在浩瀚的宇宙中，航天器如何获得持续稳定的能源供应，一直是困扰人类深空探索的关键问题。而核能电池的出现，为这一难题提供了革命性的解决方案。近年来，随着技术的不断进步，核能电池在航天领域的应用前景日益广阔，有望成为未来深空探索的“能量之源”。

核能电池，又称放射性同位素热电发生器（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG），是一种将核能直接转化为电能的装置。其工作原理是利用放射性同位素衰变产生的热能，通过热电偶效应转换为电能。与传统的太阳能电池相比，核能电池具有以下显著优势：

• 长寿命：核能电池的使用寿命可达数十年，远超普通电池。
• 高能量密度：单位体积内存储的能量远高于化学电池。
• 环境适应性强：不受光照条件限制，在极端温度和辐射环境下仍能正常工作。

核能电池在航天领域的应用已有数十年历史。早在1961年，美国就发射了世界上第一颗搭载核能电池的卫星。此后，核能电池被广泛应用于各类航天器，特别是在深空探测任务中。

• 火星探测：美国的“好奇号”和“毅力号”火星车都配备了核能电池，确保了在火星极端环境下长时间运行。
• 外行星探测：旅行者1号和2号探测器依靠核能电池，已经持续运行超过45年，目前仍在向地球发送数据。
• 月球探测：中国的嫦娥四号探测器在月球背面着陆，其搭载的核能电池确保了在月夜期间的持续供电。

核能电池的核心技术主要包括放射性同位素选择、热电转换效率提升和安全防护设计。

• 放射性同位素：常用的放射性同位素有钚-238、锶-90和镍-63等。其中，钚-238因其高能量输出和适中的半衰期（87.7年）而被广泛使用。
• 热电转换效率：通过优化热电偶材料和结构设计，提高热能到电能的转换效率是当前研究的重点。
• 安全防护：核能电池需要严格的安全设计，防止在发射事故或太空撞击中造成放射性物质泄漏。

随着深空探索任务的不断拓展，核能电池的需求将持续增长。未来，核能电池有望在以下几个方面取得突破：

• 小型化与轻量化：通过技术创新，进一步减小体积和重量，满足更多航天器的需求。
• 提高能量输出：开发新型放射性同位素和热电转换材料，提升能量输出效率。
• 降低成本：优化制造工艺，降低放射性同位素的制备成本。

然而，核能电池的发展也面临一些挑战：

• 安全问题：如何确保在各种极端条件下的安全性，防止放射性泄漏。
• 公众接受度：提高公众对核能电池安全性的认知，消除不必要的担忧。
• 法规监管：建立完善的国际监管体系，确保核能电池的和平利用。

核能电池作为航天领域的“能量之源”，其重要性日益凸显。随着技术的不断进步，核能电池将在未来的深空探索中发挥更加关键的作用，为人类探索宇宙提供源源不断的动力。然而，其发展也面临着技术、安全和监管等多方面的挑战，需要全球科技界的共同努力。