嫦娥仙子月宮取寶，天問一号火星探路，中國航天接連放大招，經曆了高光時刻。但是啊，細心的網友注意到一個細節：美國“好奇”号火星車安裝了核電池，在火星上開了8年，仍然精力充沛。其實不隻好奇号，曾經的旅行号1号、2号、阿波羅登月飛船、新視野号，最新的毅力号等等，都使用了核電池，反觀我們的的當家花旦嫦五和天問一号，依然是渾身披挂電池闆，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，人馬君倒也不算特别外行。

好奇号在火星上漫遊，紅圈處即為核電池

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，它倆确實不太好分辨。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，太陽能電池闆都是标配，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闆已經成為人們對航天器的固有印象。然而，随着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闆

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于地球背面的黑暗中，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。我國的嫦娥四号、玉兔二号，在月夜都得休眠，最大程度的減少能耗，一直挨到下一個月晝來臨才會再次喚醒。而嫦娥五号由于主要目的是采樣返回，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！

嫦娥五号僅在白天工作

所以，登月凸顯了太陽能電池的局限，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，甚至沖出太陽系的話，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，太陽能電池闆基本上交槍投降，需要更強力的電池來救場了！

冥王星上的太陽有氣無力

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，隻要壽命還沒耗盡，就會源源不斷的發出電能。而且它不用像電池闆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号、2号憑借它，在百億公裡外還能與地球通信，用太陽能是萬萬做不到的。

飛掠冥王星的新視野号，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，不能實現蒸汽動力循環，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，靠管内的液态金屬相變帶出熱量，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。它利用核衰變來産生電能，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産生電流等等，但最常見的還是熱電式，也叫同位素溫差電機（RTG），典型的就是钚238核電池，钚238是一種非常理想的核電池材料，它在自然界中并不存在，靠人工制取，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，甚至無法穿透皮膚，很容易屏蔽，因此可以給心髒起搏器來供電。用钚238衰變産生的熱量作為熱源，配上熱電轉換器件，就構成了核電池，壽命可達幾十年。

毅力号搭載的钚238核電池

現在熱電轉換器件的效率還比較低，隻有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，像好奇号核電池初始功率是125瓦，随着钚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個钚238核電池，目前還有約30個在太空中運行，旅行者1号、2号和卡西尼号都攜帶了3個核電池。蘇聯/俄羅斯雖然在數量上不及美國，但是也能生産。而我國在嫦娥三号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，目前隻有嫦娥四号着陸器裝的那塊能發出2瓦的電，跟好奇号沒法兒比，就這還是個俄國貨，讓不少人耿耿于懷。而風頭最勁的嫦娥五号，和即将登陸火星的天問一号幹脆就沒有安裝核電池，其中的原因是多方面的。

天問一号火星車，純靠太陽能供電

首先，核電池含有強放射性物質，必須慎之又慎。像钚238，雖然容易屏蔽，但如果洩漏出來，會造成嚴重污染，一旦進入人體形成内照射，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毀，攜帶的钚238被燒成塵埃，散布在各地。最著名的一次就是阿波羅13号，由于任務失敗，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，和使用钚電池的火星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。嫦娥三号、四号都是用長征三号乙這種成熟型号發射的，而發射嫦五和火星探測器的長征五号，以往的狀态不是那麼穩定。一旦失敗，放射性物質洩漏，後果将是災難性的。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？

長征五号的狀态一度不穩定

第二個原因是，對嫦娥五号來說，任務全部在白天完成，确實不需要核電池。對于天問一号，火星離開太陽不遠，夜晚也不算長，太陽能電池闆還算夠用，天問火星車的設計壽命也不像好奇号、毅力号那麼長，對核電池的需求沒那麼急迫。最後一個原因：钚238實在是太貴了，需要把镎放到反應堆裡輻照，連美國一年也産不了幾兩，财大氣粗的NASA用起核電池來，還經常得從俄羅斯買原料，隻能感歎“地主家也沒有餘糧啊”！

正在發熱的钚238

不過，我們現在沒有使用核電池，不代表将來不用。随着長征五号火箭的日漸成熟，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！

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