“硬币”大小的能量块：揭秘旅行者1号87年不断电的核电池

1块电池能用87年，旅行者1号的核电池内有432颗钚-238氧化物陶瓷颗粒，这些直径约1厘米的圆柱形颗粒，像一盒堆叠的硬币，衰变产生的高温有600℃以上。钚-238的半衰期是87.7年，意味着它能发热80多年，非常适合星际深空任务。说起旅行者1号这家伙，大家可能觉得它就是个老古董，但它到现在还天天往地球发数据，靠的就是这个核电池。简单讲，这电池不是咱们手机里那种锂电，而是叫放射性同位素热电发生器，简称RTG。里面塞满了钚-238氧化物做成的陶瓷颗粒，总共432颗，每颗直径差不多1厘米，高也差不多1厘米，看起来就跟一盒子叠起来的硬币似的。这些颗粒不是随便捏出来的，得在实验室里用高温高压压实成形，还得裹上铱合金壳子防辐射和高温。要知道，钚-238衰变的时候会放出α粒子，这些粒子撞击材料就转成热能，颗粒中心能热到600℃以上，外层包裹的材料得扛得住，不然就散架了。为啥非得做成这么多小颗粒呢？因为大块的容易裂开，万一火箭爆炸或再入大气层，碎片飞得到处都是，污染风险大。小颗粒分散了热量，散热面积大，还能均匀发热，避免局部过烫坏了发电部件。每个RTG里有24个燃料模块，每个模块18颗颗粒，加起来就是432颗，总重约4.5公斤钚-238。发电原理挺直白的：热端贴着这些热颗粒，冷端对着太空的零下270℃，中间夹热电偶材料，比如硅锗合金，温差一拉，电子就动起来了，产生电流。刚发射时，三台RTG总共能给出470瓦电功率，够驱动所有仪器和通信。要是换太阳能板，早飞到木星外头就没电了，因为阳光弱得可怜。钚-238这玩意儿半衰期87.7年，意思是87年半后，放射性减半，热量也减半，但前80多年输出还算稳定，正好够深空任务用。比起铀-235或钚-239，它不适合核爆，只会慢慢α衰变成铀-234，放热不放中子，辐射也容易挡住，一张纸就行。NASA从上世纪60年代就开始用它，先是先驱者号，后来维京号登陆火星，旅行者就是巅峰。生产钚-238可不简单，得从钚-239堆里分离，或者用反应堆轰击镎-237。70年代为旅行者赶工，美国橡树岭和萨凡纳河工厂加班加点，勉强凑出够两艘探测器的量。那时候库存就快见底了，国会还得批钱重启生产线。旅行者1号1977年9月5日从卡纳维拉尔角射出去，本来计划就探木星和土星，4年任务就收工。谁知它超期服役快50年，现在飞出太阳风层，进了星际空间，离地球243亿公里远，光信号单程得22小时多。速度每秒17公里，靠木星土星引力弹弓甩出去的，现在是人类最远的使者。里面带的金唱片有地球声音和图片，万一外星人捡到，能知道我们长啥样。RTG让它不靠太阳，稳稳发数据，尽管现在功率掉到220瓦左右，工程师得一个个关仪器省电：相机早关了，紫外和红外也歇了，只剩磁强计、粒子探测器和等离子波仪在转。关仪器这事儿不是随便来，得算功率曲线。钚-238衰变匀速，每年掉0.8%左右，加上热电偶老化，实际衰减快点。到2025年，预计还能撑着发工程数据，但科学仪器得再关几个。NASA的深空网用70米大天线在澳大利亚和西班牙接信号，数据率低到每秒16比特，慢得像上世纪拨号上网。旅行者2号也差不多，2018年进星际空间，现在离地球200亿公里，延迟18小时。它多探了天王星海王星，补了旅行者1号的课。 RTG这技术从60年代就成熟了，阿波罗12到17号把类似电池搁月球上，给地震仪供电。好奇号火星车也用它，不怕黑夜冷。钚-238每克发0.57瓦热，效率高，但生产贵，一公斤得几百万美元。冷战后美国停产30年，靠俄罗斯买货，库存快光了。2015年重启，橡树岭用高通量同位素反应堆轰镎-237，目标年产1.5公斤。到2023年，刚给好奇号续命的量就0.5公斤。未来龙飞号去土卫六，还得靠它。为啥钚-238这么合适？半衰期不长不短，热密度高，辐射低。其他选项像锶-90半衰期28年，太短；钋-210138天，更短；镅-241432年，但热少，辐射多，得加重屏蔽。钚-238平衡最好，α粒子能量5.5MeV，转热快。颗粒做成陶瓷氧化物，密度11克每立方厘米，不溶水，安全。封装时用铱壳和石墨层，防爆防漏。整个RTG像个保温瓶，热只往发电方向走，太空真空不散热。旅行者这俩兄弟超预期，证明RTG靠谱。1972年先驱者10号先穿越小行星带，也用类似电池，虽失联了，但开了头。卡西尼去土星，伽利略探木星，全靠它。现在新视野号飞过冥王星，毅力号在火星钻岩，全是钚-238功劳。问题是库存紧，NASA得规划，每任务得几公斤。国会批钱慢，俄罗斯供应不稳，美国自己产是王道。到2026年，预计年产够用，但得加速。