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1965年4月3日:在太空的动力

2017-4-29 环球解密

1965 年 4 月 3 日:在太空的动力

哥伦布(Christopher Columbus)在一封写给他的赞助者,谈到他第一次航行到新世界遇见原住民时的信中这么写着:“原住民既不知宗教,也不知崇拜,他们只相信所有力量和美好的事物都来自天上…。”〔1〕哥伦布指的是当地原住民的信仰,他们认为哥伦布、他的伙伴以及船只都来自地球以外的某个地方。500 多年后,我们已成为新世界的航行者,经由太阳系,进入更遥远的外太空。

哥伦布靠着风力来驱动他的船,星星来指引路途,船员的肌力来控制船只。在地球轨道上的太空船使用太阳能电池,提供通讯和仪器操作所需的能源。在地球之外的星球,以及外太空中,太阳辐射太弱了,无法让太阳能电池提供太空船导引,和联络通讯的能源。

1960 年代的一个发明成功提供了此能源,也是这些太空飞行能成功的关键因素。这个放射性同位素热电发电机(RTG)供应航天飞机所需导航、通讯以及其他所有需要动力的能源。放射性同位素热电发电机由放射性的钸 238 所组成,它主要放射出 ~ 5MeV 的 α 粒子,半衰期为 87.7 年。α 粒子在放射性氧化钸内短距离被吸收,将其加温至高达 1,000℃ 的温度。RTG 的设计将此热源和两个并排的半导体元件,一个 N 型,一个 P 型,接触。它们在 1,000℃ 一定要稳定,有良好的电传导性,以及尤其重要的,它们必须有低度的导热性。符合这些要求唯一轻易可得的既有物质是一种硅和锗的合金,50年后的今日仍找不出更好的替代物质。

科第(George Cody,右)和阿贝雷(Ben Abeles,左),1972年。

物理学家科第(George Cody)和阿贝雷(Ben Abeles)在 1960 年代初期发现了此材料的特殊性质。他们是美国无线电公司(RCA)在纽泽西实验室的研究团队成员,致力于研究在 1,000℃ 下测量导热性的困难问题。由于热辐射和其他可能的误差,问题很复杂,所以他们先开始测铁,以提供比较的基础。他们使用了一种巧妙的方法,可以去除辐射损失的效应,这是瑞典的物理学家埃格斯特朗(Anders Ǻngström,长度单位“埃”以他的名字命名而闻名)最先于 1861 年所记述的。科第和阿贝雷能测出铁的导热性到 1,000℃,和已发表的结果相当一致。

之后,科第和阿贝雷继续研究硅-锗合金,这在RCA实验室有存货,而且在 1,000℃ 的真空中很稳定,两人开始测量一系列不同成分比例合金的热导性。最好的合金材料是含硅 60%,它的热导性出奇地低,比当时所知的其他材料都要低。小组的其他成员提供了经由适当的掺杂,而具有所需电传导性的材料,也解决了高温下晶格变形,以及同时可以保持良好电接触的冶金难题。

这看起来只是一个好的物理研究,得力于公司对紥实研究工作的耐心,但它却得到了一个使得所有的行星及外太空飞行都得以成真的关键发明。科第和阿贝雷于 1962 年 10 月申请专利,1966 年 10 月 18 日专利获准:获准号码 US 3,279,954,硅-锗合金热元件的热电装置。

最早使用此发明的太空船是 SNAP-10A(SNAP=System for Nuclear Auxiliary Power,核辅助动力系统),它从核反应器炉心所产生的热能经由熔化的钠钾冷煤转换到热电发电机。这部太空船于 1965 年 4 月 3 日发射升空,在 700 里高的轨道运行。在 SNAP-10A 上的硅-锗热电材料运作非常优异,所以后来的外太空任务都选用它作为能源。

之后的太空船包括有航海家 1 号和 2 号无人太空探测船于 1977 年发射升空,和巨大的外星球会合,以及于 1989 年发射升空到木星飞行的伽利略号太空船。美国喷射推进实验室的迈纳(Ellis Miner)提到说:“当未来的世代回顾时,航海家1号飞行至我们太阳系 4 大星球(木星、土星、天王星和海王星)的划时代之旅,也许是人类成果最丰硕的探测任务之一。这些发现包括每个星球的大气、热性质、行星环系统、卫星表面以及整体性质的资讯。除非有意料之外的巨大故障,否则所使用的能源应该可以让两艘太空船继续搜集资料到 2015 年〔2〕,大约是它们发射升空后的 40 年,这都是硅-锗 RTG 性能可靠的功劳。”

最近,好奇号(Curiosity)火星探测车以及早期的火星探测车精神号(Spirit)和机会号(Opportunity)都配备有硅-锗 RTGs,以提供足够的动力做为所有通讯、和处理装备能安全无虞登陆所需必要资讯的重要信号之用。然而,这只是开始而已,之后,更会有足够的动力可以开动大约如小型小货车一样大的漫游侦测车,上下崎岖不平的岩层、挖掘岩层表面、拿取样品加以分析、再将结果送回地球。

航海家 1 号上面的 RTG 在经过 36 年后仍一直产生动力,上面的仪器和通讯设备还是运转得很好。它独自往前航行,于 2012 年 8 月 25 日离开我们的太阳系,继续前往星际空间。

科第和阿贝雷因“他们的发明对太空通讯与侦测的贡献”,于 1979 年荣获富兰克林研究院的巴兰廷奖章(the Stuart Ballantine Medal)。他们还因硅-锗 RTG 被国际热电学会授予“年度发明家”的荣誉;并于 1989 年在伽利略号发射升空后获选入纽泽西州的发明家名人堂。

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