当前热议!迷你小冰箱竟是“核电站”的“远房亲戚”？

2022-08-30 09:48:09 来源：科普中国

今天的故事要从一个小冰箱说起。

火炎焱燚热的夏天，一个出门五分钟就能让人大汗淋漓的季节。为了在炎热的天气里能喝上一罐冰可乐，我花了68元巨资在某宝买了一个迷你冰箱，它不仅能制冷，在冬天还能变成加热箱。

(相关资料图)

现在的冰箱都这么全能的？事出反常必有妖，可冷可热还便宜的冰箱，肯定不是正经冰箱，必须好好调查一番！

迷你冰箱是不是“正经”冰箱？

咳咳，下面我宣布调查结果：这个冰箱和家里那种冰箱，除了名字相同外，他们的制冷原理不能说是差异显著，只能说毫不相干。普通冰箱的制冷原理在这里不必多说，网上那些五花十色的小冰箱，他们的核心原件是——半导体制冷片。

半导体制冷片长这样：

（图源：wikipedia）

它的结构很简单，一块小方片和两根导线。在给制冷片通电的时候，这个小方片的一面会发热，另一面则会变冷。改变通电方向后，发热面和制冷面也会对调，采用半导体制冷片的小型冰箱能制冷也能制热。

（图源：作者自制）

并且半导体制冷片所需的电压也很低，用充电宝就能供电，汽车上的车载冰箱也多为半导体制冷。

半导体制冷片将两种不同的半导体材料贴合在一起，接着从两种材料各自引出一根导线。在工作时，将导线接通直流电源，热量就会从一种材料传递到另一种材料，表现出来就是一面制冷，一面发热。

这种现象被称为珀尔贴效应（Peltier effect）。这个效应是在1834年由法国物理学家J.C.A Peltier（珀尔贴）发现的。Peltier原本是一名钟表商，不过在30岁时，他开始了物理学的实验和观察。他的日常生活不是在阿尔卑斯山上烧开水，测量沸水温度，就是在海边观察水龙卷，思考龙卷风是怎么形成的。

不过也正是因为这些看似“无用”的举措，才产生了许多“有用”的科学原理，所以让我们一起说：谢谢珀尔贴！

温差电现象三巨头

随着物理学的发展日渐完善，科学家们将珀尔贴效应和另外两位科学家发现的效应归纳在一起，统称为温差电现象。现在利用这三个现象制造的机器已经遍布全世界了，甚至还有冲出地球的（别急，看到后边你就知道具体是什么了）。

温差电现象三巨头都是哪些？

珀尔贴效应前边提过了，接着给大家介绍塞贝克效应：当两种不同的导体连接成回路，而且两边的材料温度不同时，电路之中会产生电流。这一效应是珀尔贴效应的逆效应。

也就是说拿一个半导体制冷片，在两边制造温差（比如一面贴上冰块，另一面放上保温袋）这个半导体制冷片就变成了一个利用温度差来发电的发电机。

最后一个现象是汤姆孙效应：当一个存在温度梯度的均匀导体（一端热一端冷的一截铁丝）中通有电流时，导体会吸收或者放出一定的热量。

利用珀尔贴效应制作的半导体制冷片，让我们享受到了冰可乐和热奶茶，但发电就要靠塞贝克效应了：温度差+热电转换器=发电机。

二战时期，苏联游击队苦于无线电台没地方充电，而普通的发电机都是大块头而且用起来噪声很大。于是他们委托科学家研制出了一种基于塞贝克效应的水壶热电发电机，它看起来和普通的水壶没什么区别，但它是利用篝火和水之间大约300度的温差来发电的，并且这一发电机的充电功率能达到6W。

(图源：pikabu.ru)

后来，还出现了利用煤油灯热量发电的TKG-3发电机，大家在晚上点燃煤油灯就能给收音机充电。

(图源：pikabu.ru)

小巧的“核电站”——RTG

因为热电发电机本身没有活动部件，皮实耐造的特点让它成了航天界的宠儿。

在进行深空探测任务时，航天器可能会远离太阳或是处于阴影区，光照严重不足且面临低温环境。这种环境下航天器的电力供应是一个大问题。

解决这个问题的便是放射性同位素热电发生器，简称RTG（RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator）。RTG利用塞贝克效应将放射性同位素衰变产生的热能转化为电能。

RTG的发电过程分为衰变热收集阶段以及温差发电阶段，以典型的 RHU/RTG为例：放射性元素（钚-238）衰变时会释放射线，构成射线的高能粒子和周围物质相互作用时被阻止和吸收，这一过程会产生热量。

装有的装置相当于一个产热非常持久的热源（能够持续发热几十年）。有了持久的热源， RHU/RTG的发电能力也非常的持久和稳定，它在发电时产生的废热又能用来给航天器保温，一举两得。

RHU: radioisotope heating unit 同位素热源

RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator 同位素热电发生器

(图源：参考文献1)

安装在“旅行者二号”探测器（1977年发射，在2018年已飞出了太阳风层，成为第二个进入星际空间的飞行器）上的RTG已经稳定工作了41年，好奇号火星火车和嫦娥四号着陆器上也都配备了RTG。

好奇号火星车尾部的RTG

(图源：Wikipedia)

当然，RTG连宇宙的极端环境都能够克服，地球上的极端环境对它来说就是小菜一碟了。

在有着漫长极夜的北极圈冬季，灯塔的能源供应靠的就是RTG。截至1992年，美国的军队在北极布置的军事设施也是利用RTG来进行供电。小型化的钚-238电池曾经还被用来当作心脏起搏器的电池。

随着柔性电路以及新材料的出现，利用温差电现象制作的设备性能也将大幅提高。或许以后的智能手表利用人体皮肤和空气的温差就能够得到充足的电力，或者把柔性的半导体制冷器件植入衣服，就能得到一件无惧夏天的制冷服。

参考文献：

[1]牛厂磊, 唐显, 李鑫,等. ~(238)Pu同位素热/电源的发展及展望[J]. 原子能科学技术, 2020, 54(S01):9.

[2]蔡善钰, 何舜尧. 空间放射性同位素电池发展回顾和新世纪应用前景[J]. 核科学与工程, 2004, 24(2):8.

[3] Ritz F , Peterson C E . Multi-mission radioisotope thermoelectric generator (MMRTG) program overview[C]// Aerospace Conference. IEEE, 2004.

[4] Hammel T , Bennett R , Sievers B . Evolutionary upgrade for the multi-mission radioisotope thermoelectric generator (MMRTG)[C]// 2016 IEEE Aerospace Conference. IEEE, 2016.

[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator

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关键词：塞贝克效应参考文献放射性同位素