宇宙探測器上的蚊香電池

司馬栩

探測器電池被安裝在儀器和隔熱板的對面，以確保最有利的供熱條件。

美國宇航局正在研制一種能將熱能轉(zhuǎn)化為電能的燃燒電池——派羅斯耐熱鎳合金燃燒電池。這種電池有何出彩之處？另外，有了太陽能電池和其他種類的電池，科學(xué)家為什么還要研制這樣一種聽起來似乎很傳統(tǒng)的電池呢？

內(nèi)置“蚊香”的燃燒電池

為了方便，下面將把派羅斯耐熱鎳合金燃燒電池簡稱為燃燒電池?？梢詫⑷紵姵乜醋饕粋€密封的容器。電池里面，頂部是由可燃物（例如鎂或硅）以及氧化物（例如氧化鉀）混合制成的蚊香型線圈。

蚊香型線圈緩慢地燃燒，加熱其周圍的氬氣，使氬氣受熱膨脹，推動活塞發(fā)電機里的活塞，進而生成電能。熱氬氣推動活塞之后，會來到電池下方，被冷卻，然后再回到電池的頂部，再次受熱膨脹，推動活塞繼續(xù)產(chǎn)電……如此不斷循環(huán)，燃燒電池就是這樣以熱生電的。

科學(xué)家在這里之所以使用氬氣，是因為氬氣有著諸多的優(yōu)點。首先，氬氣是惰性氣體，即使在高溫環(huán)境下，也極難與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這樣，蚊香線圈在燃燒的時候，就不會消耗里面的氣體了。其次，也正因為氬氣很難與其他物質(zhì)進行化學(xué)反應(yīng)，所以氬氣也被用作保護氣體，進而延長蚊香型線圈的使用壽命。此外，氬氣在地球大氣里就有，而且無色、無味和無毒，制作、儲存和使用起來較為安全和方便。最后也是非常重要的，在不遠的將來，科學(xué)家將要探索的幾個星體當(dāng)中，例如火星、水星和泰坦等，它們大氣里的氬氣含量很多，而使用氬氣作為動力氣體可以方便未來的探測器進行補充以及更換蚊香型線圈。

盡管燃燒電池是目前最好的熱能發(fā)電機，但它也只能把燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能的大約40%轉(zhuǎn)化成電能。不過，燃燒電池的外殼由隔熱性能非常好的硅酸鎂所制成，可以極大地減少熱能的流失，從而間接地提高熱能發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換率。打個比方，硅酸鎂外殼就像是水庫，能把多余的水給儲存起來，以便更長久地使用。

據(jù)估計，燃燒電池的產(chǎn)能效率是600千瓦/小時/千克，而目前最好的鋰電池的產(chǎn)能是400千瓦/小時/千克。燃燒電池不僅可以讓探測器連續(xù)工作20天，而且還能在零下好幾十?dāng)z氏度或465℃高溫的環(huán)境下工作。

探索黑暗

未來，科學(xué)家不僅要再次回到月球，還打算深入探索月球的黑暗面。另外，科學(xué)家還計劃去往火星、金星和水星等外域。這些地方，要么經(jīng)?！鞍禑o天日”，要么經(jīng)常發(fā)生風(fēng)暴或沙塵暴……

例如木衛(wèi)二，也叫做“歐羅巴”衛(wèi)星。它被認為是目前最有可能具有生命的星體之一。因為科學(xué)家不久前在它上面觀測到了超大熱液噴泉?？茖W(xué)家打算往上面送一個探測器，來進行生命的探索。然而，木衛(wèi)二表面是厚達上百千米的冰層，探測器只能到冰層底下進行探測，而那里可幾乎是一點光也沒有。又例如金星的表面溫度可達465℃，而如今探測器的太陽能電池板和備用電池完全無法在這樣的高溫環(huán)境下工作……因此，科學(xué)家需要能在這些極端環(huán)境下工作的電池，而燃燒電池能滿足這些需求。

另外，雖然如今已有太陽能電池板，以及能儲電的備用電池，但它們的續(xù)航能力都不夠強。如果電池板被風(fēng)沙覆蓋，或者是探測器進入長時間無光的地方，那么探測器的活動將被極大地限制。因此，多配置一個或多個燃燒電池，能幫助探測器應(yīng)對突發(fā)的情況。

科學(xué)家研制燃燒電池的另一個原因是，用燃燒電池來代替放射性同位素核電池（簡稱RTG）。RTG是另外一種燃燒電池，它的熱能來自钚或其它放射性同位素。如今，當(dāng)太陽能電池板無法使用，或沒有太陽能電池板時，太空探測器或衛(wèi)星等使用的就是這種電池。

RTG的優(yōu)點是使用壽命很長，至少可達87.7年，非常適用于遙遠的深空探索。但是RTG的缺點也很明顯。首先，能用作RTG的燃料的放射性同位素并不多，而且這些燃料用一次，少一次。其次，RTG在制作和回收過程中的安全問題一直令科學(xué)家擔(dān)憂，歷史上已經(jīng)發(fā)生了好幾次意外事故。并且，RTG的造價還極其高昂。

綜上所述，如果用RTG來進行短期的外太空探索任務(wù)，那么這種情況不亞于“殺雞用牛刀”。與RTG相比，盡管燃燒電池只有20天的使用時間，但是它的材料來源非常豐富，例如內(nèi)部的氬氣從空氣里就能提取出來。另外，燃燒電池也更安全、更便宜，非常適用于短期的太空探索任務(wù)。即使突發(fā)狀況，導(dǎo)致科學(xué)家不得不放棄探測器，科學(xué)家也不至于太心疼。

鑒于燃燒電池的安全性和經(jīng)濟實用性，它還可以成為身處經(jīng)常發(fā)生自然災(zāi)害的地區(qū)的人們至關(guān)重要的后備電源。甚至，它也可以為極端環(huán)境下的科研活動，例如南極考察，提供溫暖的能源。

蚊香型線圈為探測器緩慢運動提供動力

被做成蚊香狀螺旋的熱解物產(chǎn)生的熱量可以被熱空氣發(fā)動機轉(zhuǎn)化為動力。目前最好的發(fā)電機也只能利用大約40%的熱量，不過隔熱膠囊可以確保熱量不會散失。