不需要充電就能用幾十年的電池竟源自200年前的一個發現？_風聞

手機現在已經成為了當代生活的必備工具，小編都已經患上了手機沒電恐懼症：一看見手機電量低於100%就迫不及待地想連上充電線，出門不帶個充電寶就覺得不安全。

要是有一種可以一直使用而無需充電的電池就好了，手機沒電恐懼症什麼的從此以後都是不存在的。説到“可以一直使用而無需充電的電池”，現實生活中確實有這樣一種電池，這就是放射性同位素温差電池，也叫放射性同位素温差發電器，不過別高興得太早，目前它還無法應用在手機上。放射性同位素温差發電器最重要的原理是熱電效應，這個效應的發現最早能追溯到200年前~

工人在卡西尼號航天器上安裝放射性同位素温差發電器（RTG）| 來源：NASA

●塞貝克效應 ●

熱電效應有三種，分別是塞貝克效應（Seebeck effect）、帕爾帖效應（Peltier effect）和湯姆森效應（Thomson effect）。

1821年（四捨五入一下就是200年前了）德國物理學家塞貝克發現，將兩種不同金屬的兩端相互連接構成閉合迴路，如果兩個接觸點所處的温度不同，那麼迴路中就有電流產生，這個現象後來被命名為塞貝克效應。而這樣的電路叫做温差電偶，電路中產生電流的電動勢叫做温差電動勢。

金屬的塞貝克效應所產生的温差電動勢很小。比如，鐵與銅的冷接頭處為1℃，熱接頭處為100℃，那麼只有5.2mV的温差電動勢產生。如果把若干個温差電偶串聯起來，把奇數個接頭暴露於熱源，偶數個接頭暴露於冷源，這樣產生的電動勢等於各個電偶之和，這種裝置叫做温差電堆[1]。

温差電堆 | 來源：Wikipedia

金屬的塞貝克效應產生的温差電動勢太小了，就別想着用温差來發電了╮(╯-╰)╭。既然用來發電不行，那麼能不能有其他的用途，比如熱接頭與冷接頭之間的温度與温差電動勢是不是有什麼神秘的聯繫，如果有的話，豈不是可以當温度計來用了嗎？

這種特殊的“温度計”就叫做熱電偶，由於熱電偶產生的電動勢很小，實際上往往用的是熱電偶堆。對同樣的温度差而言，熱電偶堆的温差電動勢要比單個熱電偶產生的大得多，用它製成的熱電偶温度計靈敏度也高。當熱電偶的正負極材料確定以後，温差電動勢的大小隻與熱電偶的兩端温度有關。如果冷端（通常稱為參比端）温度恆定，則温差電動勢就只與熱端温度有關。熱電偶的量程很大，可以測上千攝氏度的高温，就是精度不太高，系統誤差一般大於0.1℃ [2]。比如實驗室中經常要用到的馬弗爐、石英管式爐裏邊就有熱電偶。

熱電偶 | 來源：wika

不僅僅是金屬，半導體也有塞貝克效應，熱端的載流子會流向冷端，在迴路中產生電流。相比於金屬，半導體產生的温差電動勢更大，因此可以用來製作温差發電機，可以帶動小型電子設備，比如小風扇、LED燈等等。

半導體的塞貝克效應 | 來源：Gfycat

下面這個就是自制的温差發電機，底部利用蠟燭加熱温差發電片的一面，另外一面則用風扇散熱，使得温差發電片兩面產生温度差從而產生温差電動勢。而讓風扇轉動的能量來源就是温差發電片所產生的電能。

來源：GeekFans.com

鋪墊了這麼多，下面就來介紹一下今天的主角——放射性同位素温差發電器（Radioisotope Thermoelectric Generator，縮寫為RTG）。顧名思義，它是一種利用放射性同位素獲取能量的發電裝置。因為放射性同位素在衰變的時候會釋放熱量，而使用温差電堆則可以把部分熱量轉化成電能，供給設備使用。

放射性同位素温差發電器主要由兩個部分組成，分別是放射性同位素熱源和温差電堆，一個負責提供熱量，一個負責發電。美國空間用的同位素電池幾乎都使用了鈈238（與用作核武器裝料的鈈239性質不同），這是因為它具有合適的功率密度（0.41 W/g）；足夠長的半衰期（87.7年，熱功率衰變<1%/年）和很低的γ輻射（可大大減輕屏蔽重量）等優點 [3]。

衰變放出巨大的能量使鈈238加熱至燒紅的程度 | 來源：Wikipedia

肯定有小可愛會問，空間探測器不是都有太陽電池嗎，為什麼還要用同位素電池？如果空間探測器前往探測其他星球（比如冥王星），離太陽越來越遠，陽光越來越弱，太陽電池就無法正常工作，這時候同位素電池就成了唯一的選擇。同位素衰變時釋放的能量大小和釋放速度不受外界環境的温度、化學反應、壓力、電磁場的影響[4]，所以能運行在惡劣的環境，並且具有高功率、長壽命的特點。除了空間探測器，蘇聯建立在極地的燈塔也使用了同位素電池，這樣可以減少維護的成本。

在2011年11月26日發射的好奇號火星探測器就是由放射性同位素温差發電器供電的。因為好奇號攜帶了大量的科學儀器，而太陽電池產生的能量無法驅動這麼多的設備。使用同位素電池不僅可以擺脱對陽光的依賴，無論白天黑夜都能提供穩定的功率，而且讓好奇號有更長的使用壽命。在任務初期，同位素電池可以可靠地在任何狀況下提供約125W的功率輸出，這個數字會隨着核燃料的衰變而逐年降低，但14年後應該還有100W的功率輸出 [5]。而當年勇氣號的太陽能帆板被火星的沙塵覆蓋，已經永遠無法甦醒過來了 [4]。

同位素電池位於好奇號的後部 | 來源：Wikipedia

除了放射性同位素温差發電器，空間探測器上還會配備放射性同位素加熱器（Radioisotope heater unit，RHU），用來加熱探測器上的電子器件的，不然在低温下這些設備將無法工作。

●帕爾帖效應 ●

既然温差可以產生電流，那麼反過來，電流能不能產生温差？實際上確實是可以的，這個就是帕爾帖效應，它是塞貝克效應的逆效應。1834年法國人帕爾帖發現，當電流通過由兩種不同的金屬相接而成的導體時，一個接觸點會吸熱而另外一個接觸點會放熱。同樣的，半導體也有帕爾帖效應，通電之後，半導體中的載流子從冷端流向熱端。

半導體的帕爾帖效應 | 來源：Gfycat

在許多年以前的一個炎熱的夏天，還是初中生的小編喝了杯從飲水機中接出來的“冰水”後陷入了深深的思考：飲水機是怎麼實現製冷的呢？如果是像冰箱那樣用上了壓縮機，那又是怎麼把壓縮機做得那麼袖珍，小到可以塞進小小的飲水機，並且運行的時候還能那麼安靜。

直到上了大學，小編在課堂上學到熱電效應的時候才恍然大悟，原來飲水機不是壓縮機制冷，而是温差電製冷。所謂温差電製冷就是利用半導體制冷片的帕爾帖效應。將半導體制冷片的冷端放在箱體內部，熱端口放在箱體外部，通電後，箱體內部的冷端吸收熱量後再從箱體外部的熱端放出。為了提高製冷效率，半導體制冷片的熱端需要風冷或者水冷散熱。

飲水機中的帕爾帖模組 | 來源：rimstar.org

上面的兩張圖就是飲水機中的製冷模組，電風扇後面的就是半導體制冷片，為了增強散熱，還用上了散熱片，用於提高散熱面積。除了飲水機，還有一些小冰箱用的也是温差電製冷的原理，比如一些車載冰箱。知道了原理，其實我們也可以DIY一台小冰箱，物理所今年的公眾科學日的“科學真下飯”環節就現場演示了怎麼DIY一個小冰箱**（點擊下方的圖片即可觀看回放）**。

如果不想那麼麻煩的話，直接像下面這樣操作也好像不是不可以。

來源：maker.pro

與蒸氣壓縮式製冷相比，半導體制冷的主要優點是它沒有活動部件和循環液體，不用擔心製冷劑的泄漏，尺寸小且形狀靈活。但它的製冷效率不高，如果要短時間內冷卻大量的水，那還是用蒸汽壓縮式製冷吧。

參考資料

[1] 賽貝克效應及其逆效應(熱電偶原理)

[2] 熱電偶，維基百科

[3] 放射性同位素電池在火星上

[4] 核電池：上天入海顯神通

[5] 好奇號，維基百科