2020年7月23日我国首个火星探测器“天问一号”在海南文昌发射，其所携带的“祝融号”火星车于2021年5月15日成功降落在火星乌托邦平原上。“祝融号”的顺利软着陆使得我国成为第三个成功登录火星的国家，这一成功率不足50%的任务的完成不仅使得全国欢腾，也让总设计师张荣桥先生留下了激动的眼泪。^[1-3]

火星最远的时候距地球约3.18公里，这么长的距离的飞行加上艰巨的火星探测任务，探测器在深空中是如何保持能源供给的呢？在外太空的能源供应大致有两种：同位素热电发电器和太阳能电池。^[4]太阳能电池技术相对成熟，成本相对较低，但是会给探测器带来一定的附加重量。并且，在外太空、特别是着陆后，会出现“白天夜晚”的转变、沙尘暴等问题，可能出现太阳能板被沙尘覆盖、夜晚无法发电设备被冻坏等问题，美国“机遇号”便是太阳能板遭火星的沙尘覆盖导致电力枯竭而失联。而同位素热电发电器（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG）是采用核技术，发明于1896年，NASA于1961年将该技术运用于航空领域，由于其众多优点，在此后15年间便有23个航天器使用同位素热电发电器作为能源供应部件。^[5]

得到NASA提携、全球认同的同位素热电发电器到底是何方神圣？

同位素热电发电器的大体上可以分为三个模块：同位素热源、热电发电器和外部制冷器。同位素热源是同位素热电发电器和其他热电器件最大的区别，也是它能受到航天领域青睐的重要原因。同位素热源常常指的是人造放射性同位素钚-238，在组成器件后，被放置在热电发电器的热端，具有稳定、可控、易阻隔的特点。^[6]那么钚-238具体是怎么产生热量的呢，我们为什么选择钚-238呢？钚-238的产热和核电站的能量来源相似，通过衰变产生热量，本质上是核技术的一种。在中学化学中，我们认识到，有部分物质的分解是带有剧烈放热的，如H2O2, NH3等。衰变的过程也可以简单的用放热性质的分解反应来描述（当然，实际衰变原理是十分复杂的，至今仍未探索清楚）。钚-238的衰变隶属于α衰变，在衰变过程中，钚-238原子会释放出两个带有巨大能量的α粒子，所以在释放出巨大能量的同时还会刺激其他钚-238原子发生衰变。半衰期是核素衰变的重要参数之一，指的是有一半原子发生衰变反应所需要的时间。钚-238的半衰期为87.7年，理论上可以支持同位素热电器件至少稳定工作10年，为探测器的探测工作提供了更多的可能。^[6]

热电发电器是同位素热电发电器的另一个核心部件。在日常生活中的热电器件并不像听起来这么高大上，一些汽车的车载冰箱、尾气发电装置采用的是热电原理，也有一些大型的发电厂运用热电原理进行供电。热电原理的核心泽贝克效应（Seebeck effect）由德国科学家泽贝克于1821年提出，实验中的泽贝克发现当两种金属连接形成回路时，在接口两侧人为造成温度差后，可以在这个回路中探测得到电势差。在这个实验中，我们也不难发现，泽贝克效应是建立在两种金属之间，和目前常用的体型巨大、时不时发出轰轰轰的声音的发电机相比，热电发电器是小家碧玉，能够以小体积、高效率的方式安静稳定地工作。^[7]

但是，热电器件也并非是全能的。也许正是其“小家碧玉”的特点，热电器件效率相对较低。热电器件的核心——热电材料的评定指标是热电优值，到目前为止，热电优值做到2以上仍是极具挑战性的工作，而要使得热电器件能于目前广泛应用的电机的性能相媲美，热电材料的热电优值需达到4。^[7]在这种前提下，放射性同位素热源就显得十分重要。只有在热电器件两端营造出足够大的温差，才能让器件的性能更上一层楼。在全球科学家共同努力后，同位素热电发电器同位素热电发电器的效率和输出功率都得到了很大提升。2006年发射的“新地平线号”所搭载的同位素热电发电器输出功率达245.7W。^[8]245.7W意味什么？中学老师告诉我们，1W的能量可以让我们在1秒内把两个鸡蛋提高1米，245.7W可以让我们在一秒把491个鸡蛋或者一个5岁左右的小孩提高到1米。

但是，其实这次的“天问一号”由于技术的局限性，并没有使用同位素热电发电技术，之前我国的月球车“玉兔二号”迫于月球背面的极寒，也仅是采用了部分同位素发电技术。虽然说，太阳能发电技术并非一无是处，“机遇号”通过该技术在火星也生存了15年之久；但是，同位素发电技术的优势也是十分明显的。^[4][9]我国第一个火星探测计划取名为“萤火计划”，虽然以失败告终，却没有覆灭我们探索的火种；2016年，重启的火星计划催生了“天宫一号”和“祝融号”。从这些名字的变更，也不难读出我国航天事业的迅速崛起，甚至强到打破了美国在火星上的垄断，但是除了这些荣耀之外，从“萤火”到“天宫”也承载的众多航天英雄们的汗水和泪水。希望在不久的将来，我国核技术、温差发电技术等同位素热电发电器件的核心技术取得突破后，能圆航天人最初的“萤火计划”梦，在深空中留下属于我们的暖流。

参考文献

[1] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1699783130279760102&wfr=spider&for=pc 

[2] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1699788906199835055&wfr=spider&for=pc

[3] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1699804827770376613&wfr=spider&for=pc 

[4] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1673098189263008655&wfr=spider&for=pc

[5] 刘肖岩,雅科夫列夫.航天器核能源安全[J].消防技术与产品信息,2013(06):90-92.

[6] 邓炜. 基于有限元分析方法的同位素温差电池设计优化和实验研究[D].兰州大学,2020.

[7] 陈立东，刘睿恒，史迅. 热电材料与器件[M]. 北京：科学出版社，2018.

[8] Harmon B A, Bohne W A. A look back at assemble and test of the new horizons radioisotope powers system[C]//AIP coference proceedings. American Institute of Physics, 2007, 880(1):339-346.

[9] https://xw.qq.com/cmsid/20210304A02DWB00