RTG：推动航天器飞出太阳范围的核“心脏”
RTG已经为一些最具标志性的任务提供了动力。火星探测器“好奇号”和“毅力号”以及“旅行者号”探测器正不断地从太空发送数据。
有没有想过，距离太阳数百万甚至数十亿英里的航天器是如何保持运作的？毕竟，太阳能电池板的效率会随着你向外太阳系的移动而降低，而且多年来一直储存巨大的电池也是不切实际的。
事实证明，答案是核技术 —— 具体来说，是放射性同位素热电发电机（RTG）。虽然这个名字可能会让人联想到小型发电厂，但RTG是一种节能的核电池，为阿波罗登月、旅行者号探测器和毅力号火星探测器等传奇任务提供了动力。
RTG解释：一种由放射性衰变提供动力的电池
放射性同位素热电发电机（RTG）的核心是一个小而持久的电源。与日常锂离子电池的化学反应不同，RTG通过利用放射性衰变产生的热量来发电。现代航天器RTG使用的主要同位素是钚-238 （Pu-238）。
与地球上基于裂变的核反应堆中使用的材料不同，钚-238独立衰变，释放出产生稳定热流的α粒子。这种恒定的热量，反过来，通过塞贝克效应转化为电能。当两种不同的导电材料连接在一起，并且连接的每一边暴露在不同的温度下，电流自然形成。
RTG利用这一效应，将一面保持在热的衰变钚附近，另一面暴露在外太空的寒冷中。温差通常可以达到数百华氏度，这使得该设备能够产生稳定可靠的电流，可以为航天器提供数十年的电力。
由于钚-238衰变缓慢，在大约90年的时间里只会失去一半的原子，所以RTG非常适合那些比普通电池、燃料电池或太阳能电池板寿命更长的任务。这一点在木星以外尤为重要，因为那里的阳光非常暗淡，太阳能发电效率极低。
️RTG的简史
RTG背后的原理可以追溯到1821年的科学发现，当时德国物理学家托马斯·塞贝克概述了温差如何产生电流。然而，直到20世纪50年代，在孟山都土墩实验室工作的核工程师约翰·伯登（John Birden）和肯·乔丹（Ken Jordan）才将这一概念转化为实用的硬件。
到1961年，美国向太空发射了第一颗RTG - SNAP 3B，它使用96克Pu-238为海军Transit 4A卫星提供动力。从那时起，这些紧凑型电源迅速成为NASA在极端环境下执行扩展任务的首选。
RTG很快出现在偏远的地面站点，比如无人值守的气象站或灯塔，那里需要持续的电力，而且不可能重新供电。他们甚至找到了医疗应用 —— 微小的Pu-238“电池”曾被用于专门的心脏起搏器，以确保长达数十年的电池寿命。
️为什么是核能？太阳在深空的局限性
在地球附近，太阳能电池板可以吸收充足的阳光来运行航天器系统。这就是低地球轨道卫星和月球任务的典型运作方式。然而，一旦你向太阳系外移动，在火星或木星之外，太阳通量就会急剧下降，这使得标准的太阳能电池板变得不那么可行。
即使在离太阳不远的火星上，沙尘暴和较短的白昼也会阻碍太阳的输出。美国宇航局的“好奇号”和“毅力号”探测车正是使用了RTG，因为它们提供了恒定的电源，并提供热量，以保护敏感的电子设备免受火星寒冷夜晚的影响。
NASA的旅行者计划是RTG持久力的最好例子。1977年发射的旅行者1号和2号仍然在星际空间的边缘运行，距离地球约130亿至150亿英里。尽管它们储存的钚已经部分衰变，功率水平也低于最初的470瓦，但40多年后，它们仍在传输数据，这是RTG技术的非凡证明。
️RTG内部：钚-238和塞贝克效应
钚-238在衰变过程中会放射出α粒子。虽然它们不能穿透一张纸，但当它们与RTG中的周围材料碰撞时，它们会产生可观的热量。钚附近的温度可以达到1000华氏度（538摄氏度）左右。与此同时，面向太空的散热器，或外部鳍片，允许RTG的另一侧冷却到零下几百度，产生一个很大的温度梯度。
在这些热区和冷区之间是热电偶，通常由两种不同导体制成的小金属结。根据塞贝克效应，一边与热核接触，另一边将其热量辐射到冷空间，电流开始流动。整个组件通常被包裹在一个坚固的容器中 —— 通常是铝或合金 —— 以防止钚在航天器坠毁或再入大气层时释放到环境中。
因为RTG没有移动部件，所以它们非常坚固且抗故障。钚的持续衰变保证了能量的稳定流动，而能量只会随着时间的推移而缓慢减少。
️安全与争议
虽然RTG不进行裂变或聚变反应，但它们仍然含有放射性物质，这引起了安全问题。如果发生发射事故，NASA设计的RTG具有严格的密封措施，通常使用陶瓷形式的Pu-238二氧化体和抗冲击外壳，以尽量减少钚释放的风险。
从历史上看，RTG有着良好的记录，而且没有任何任务将钚广泛分散到环境中。批评人士经常质疑用火箭发射放射性物质的道德规范。
尽管如此，科学家们还是强调了不能维持链式反应的RTG中使用的钚-238与核弹头中使用的钚-239之间的区别。RTG稳定、长时间的电力通常被认为是在遥远的太阳系或恶劣的行星条件下执行任务必不可少的。
️行动中的RTG：历史任务
美国宇航局在20世纪60年代和70年代初发射的阿波罗任务使用了RTG来为驻扎在月球上的实验提供动力。后来，先驱者10号和先驱者11号，以及标志性的旅行者1号和2号，依靠这些核电池穿越太阳系并继续收集数据。卡西尼号环绕土星运行，也携带了RTG，使其能够在地球的寒冷地区运行十多年。
在现代，美国宇航局在火星上的好奇号和毅力号探测器都是用RTG运行的。与勇气号和机遇号使用太阳能电池板的时代不同，这些核动力漫游者不需要担心沙尘暴阻挡阳光。
与此同时，2015年飞越冥王星的美国宇航局新视野号从一个RTG中获取能量，并继续在柯伊伯带外区域传输科学数据，那里的阳光只有微弱的光芒。
️RTG技术的长远前景
RTG仍然是长途太空任务的最佳解决方案，这些任务必须承受深空的真空和寒冷。尽管对新能源技术的研究仍在继续，比如先进的太阳能电池阵列、核反应堆和更好的电池，但RTG已经多次证明了它们的可靠性。它们最大的缺点是缺乏钚-238，既昂贵又耗时。
然而，随着人类将目光投向木星以外的任务，访问土星的卫星，甚至是深空小行星探索，我们可以期待RTG在一段时间内继续存在。
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