世界航天的重磅消息！2月19日 ， 美国的“毅力号”火星车抵达火星表面 ， 从此开始漫长的火星探索任务 ， 为人类是否适合移居这颗星球寻找更多依据 。
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△ 犹如科幻电影的“毅力号”着陆过程
“毅力号”是人类发射成功的第5辆火星车 ， 除了“毅力号” ， 中国和阿联酋于去年年中也发射了火星探测器 。 而中国的“天问一号”探测器已在2月24日到达火星停泊轨道 ， 计划5月左右着陆 ， 届时会释放一台火星车 。
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△ 中国“天问一号”探测器携带的火星车
“毅力号”火星车采用电动驱动 ， 但是 ， 人类没有在火星上建充电桩 ， 火星车平时是怎么补电？光靠太阳能发电板吗？
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△ “毅力号”火星车
细心的小伙伴可能发现 ， 你看不到“毅力号”有大面积的太阳能发电板 。 所以 ， “毅力号”的能量肯定不是主要来自太阳能 ， 那么来自哪里？
答案是：核电！
抛开高深的理论 ， 我们解释一下大家都能听得懂的原理 。 其实就是利用同位素衰变过程中的热量转化为电量 ， 从而维持火星车运作 。
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那什么是同位素？
就是质子数相同而中子数不同的原子 ， 即互为同位素 ， 就像一个家庭里的兄弟姐妹 。 但地球上有些同位素稳定 ， 有些则不稳定 ， 就像家里有的子女好动 ， 有的不好动 。 那些好动的会通过不断运动消耗体力 ， 直到累了不想动了（就是变稳定） 。 而运动过程中身体会发热出汗 ， 体重会有所下降 。
【着陆|“毅力号”着陆火星！揭秘让人类跨越行星的黑科技】同位素也类似这样 ， 不稳定的会通过衰变而变得更稳定 ， 同时会释放热量 ， 质量也随之变小 。 它的衰变期就相当于人的运动持续时间 ， 有的人快 ， 比如做俯卧撑不到1分钟就累趴了 ， 而有的人可以坚持10分钟 。 因此 ， 选择一个衰变期越长的同位素 ， 就获得更持久的能量 。
当然 ， 以上的比喻只是从某个角度方便大家的理解 ， 实际上原子的变化是很复杂的 ， 放射性同位素在衰变中还会释放辐射 。 而“毅力号”用了一种叫“钚-238”的同位素 ， 光一个半衰期就接近88年 ， 足够无穷无尽地输出能量了 。 它在衰变过程中会放出一个α粒子 ， 达到五六百摄氏度 ， 火星车上的温差元件就将这种热量转为电能 。
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不过 ， 能量转化率很低 ， 只有6.3% 。 这意味着接近94%的热能会散发掉 ， 但“毅力号”配备了智能的能量回收装置 ， 将剩下的热能用来给车内设备供暖 ， 以时刻保持合适的工作温度 。
以目前的条件看 ， 核电是最适合火星车的能源获取方式 。 除了上面提到的优势外 ， 还有很重要的一点：放射性同位素的衰变过程很稳定 ， 既不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响 ， 也不受元素所处的状态影响 ， 只和时间有关 。 这点非常关键 ， 因为稳定的能量输出 ， 有助于火星车的稳定工作 。
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不过 ， 核电并非是火星车的唯一能量来源 ， 根据工作目标、经济和安全等综合考量 ， 太阳能也是另一种不错的选择 。 例如我国“天问一号”携带的火星车就用了太阳能板 ， 美国“好奇号”之前的索杰纳号 ， 机遇号 ， 勇气号都使用了太阳能 。
长时间不充电、又能解决辐射 ， 为什么不用在民用电动汽车上？
实际上 ， 早在1957年 ， 福特汽车就推出过一款叫Nucleon的核动力概念车 ， 不过它是通过两个后轮之间的核反应堆以铀元素的核裂变为能源 ， 把水变成高压蒸汽 ， 再推动涡轮叶片实现驱动 ， 然后蒸气在冷却之后返回核反应堆里面再次加热 。
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△ 福特Nucleon
简单地说 ， 就是只要核燃料还没用完 ， 它就有源源不断的动力 ， 听起来就像“永动机”一样完美 。 但是 ， 直到今天还没上路 。
其实 ， 主要是成本太高影响了“核电”的普及 ， 我们还是以“毅力号”来例举 。 它的核电池采用了4.8千克的钚氧化物 ， 总重量45千克 ， 初始功率110瓦（随着衰减功率会越来越小 ， 但过程是缓慢的 ， 可忽略不计） ， 但造价你猜多少？
7000万美元！！
这是什么概念？这么说吧 ， 全世界最贵的车——布加迪Chiron Pur Sport价值355万美元 。 而毅力号上一颗小电池 ， 就能买将近20辆布加迪！
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△ 布加迪Chiron Pur Sport
所以 ， 要在短期内普及“核电” ， 简直天方夜谭 。 那么 ， 核电池为什么这么贵？主要是技术门槛太高 ， 体现在下面两点：
1、钚-238很难获取 。 目前只有美俄两国有能力大量生产 。 原理是把镎-237放在专用反应堆内进行中子辐照 ， 让让它吸收一个中子变成镎-238 ， 再经一次β衰变转化为钚-238 。 虽然我们用两三句话就描述完原理了 ， 但实际操作技术门槛相当高 。
2、核电热转电效率低 。 “毅力号”的核电热效率只有6.3% 。 就相当于 ， 同位素释放的热量 ， 只有6.3%能转为电 。 而作为参考 ， 传统燃油汽车的发动机热效率最高达到41%（平均33%） ， 量产电动汽车热效率普遍超过80% 。
既然如此 ， 为什么非要钚-238做电池呢？
还有个很重要的点 ， 就是辐射容易屏蔽 ， 相对安全！它的衰变辐射主要产生α粒子射线 ， 穿透力较弱 ， 一张纸就能把它挡住 。
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因此 ， 当今的民用电动汽车 ， 普遍采用化学动力电池 。 主要分为两个阵营——“锂电池”和“铁电池” ， 其中锂电池主要指三元锂电池 ， 是市场最被看好的电池种类 。
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三元锂电池的性能较好 ， 可以快速充电、高功率放电、能量密度比高且循环寿命长 。 也就是说 ， 在同样车重的情况下 ， 三元锂的车有更长的续航里程 ， 而且能输出更大功率 ， 让车加速更快 。
特斯拉的大部分车型都采用了三元锂电池 ， 在先进的电控管理下 ， 让用户获得较好的体验 。 但是 ， 三元锂电池成本较高 ， 高温下安全性不够稳定 ， 普遍出现在比较贵的电动汽车 ， 或者很多廉价电动汽车的长续航车型上 。
而“铁电池”以磷酸铁锂为代表 ， 比亚迪是坚决的拥护者 。 磷酸铁锂的成本较低 ， 但能量密度比在改进后也不逊色于三元锂电池 。 连特斯拉这样喜欢用三元锂的品牌 ， 在Model 3的入门车型也改用磷酸铁锂 。
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“铁电池”最大优点是安全、耐高温 ， 被刺穿也不会发生爆炸 。 但是软肋是低温性能差 ， 也就是说在冬天低温下 ， 掉电明显比三元锂多 ， 这是现在难以解决的技术难题 。
另外 ， 还有一个“第三阵营” ， 即以丰田为首的燃料电池 ， 这类电池系统具有良好的环境相容性 ， 在汽车端能做到真正的“零排放” 。 同时 ， 它有优良的负载特性、高效的输出性能和灵活的结构特性 ， 氢的获取也比较广泛 。
但整车成本和加氢站成本较高 ， 一个加氢站的建造成本往往过千万元人民币 ， 而一个普通的充电桩只需要一万元或者更低廉的成本 。 因此 ， 短期内燃料电池车也难以普及 ， 但许多国家还在尝试 ， 比如我国就有不少燃料电池的大巴在行驶 。
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总之 ， 人类对陆上交通的探索一直没停下步伐 ， 一百多年前 ， 我们面临马车和内燃机车、电动汽车、蒸汽机车的十字路口 ， 而今天 ， 人类再次站在一个新的十字路口 ， 只不过这次 ， 时代的大方向已经决定淘汰内燃机车 ， 电动汽车成为新趋势 ， 那么 ， 用哪种技术获取电能就成为新的探索节点 。
按照历史的进程 ， 尖端科技率先用在军事、航空领域 ， 也许 ， 未来民用车搭载“核电”也不是梦 。
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