迷你小冰箱竟是“核電站”的“遠(yuǎn)房親戚”？

今天的故事要從一個(gè)小冰箱說起。

火炎焱燚熱的夏天，一個(gè)出門五分鐘就能讓人大汗淋漓的季節(jié)。為了在炎熱的天氣里能喝上一罐冰可樂，我花了68元巨資在某寶買了一個(gè)迷你冰箱，它不僅能制冷，在冬天還能變成加熱箱。

現(xiàn)在的冰箱都這么全能的？事出反常必有妖，可冷可熱還便宜的冰箱，肯定不是正經(jīng)冰箱，必須好好調(diào)查一番！

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迷你冰箱是不是“正經(jīng)”冰箱？

咳咳，下面我宣布調(diào)查結(jié)果：這個(gè)冰箱和家里那種冰箱，除了名字相同外，他們的制冷原理不能說是差異顯著，只能說毫不相干。普通冰箱的制冷原理在這里不必多說，網(wǎng)上那些五花十色的小冰箱，他們的核心原件是——半導(dǎo)體制冷片。

半導(dǎo)體制冷片長這樣：

（圖源：wikipedia）

它的結(jié)構(gòu)很簡單，一塊小方片和兩根導(dǎo)線。在給制冷片通電的時(shí)候，這個(gè)小方片的一面會(huì)發(fā)熱，另一面則會(huì)變冷。改變通電方向后，發(fā)熱面和制冷面也會(huì)對(duì)調(diào)，采用半導(dǎo)體制冷片的小型冰箱能制冷也能制熱。

（圖源：作者自制）

并且半導(dǎo)體制冷片所需的電壓也很低，用充電寶就能供電，汽車上的車載冰箱也多為半導(dǎo)體制冷。

半導(dǎo)體制冷片將兩種不同的半導(dǎo)體材料貼合在一起，接著從兩種材料各自引出一根導(dǎo)線。在工作時(shí)，將導(dǎo)線接通直流電源，熱量就會(huì)從一種材料傳遞到另一種材料，表現(xiàn)出來就是一面制冷，一面發(fā)熱。

這種現(xiàn)象被稱為珀?duì)栙N效應(yīng)（Peltier effect）。這個(gè)效應(yīng)是在1834年由法國物理學(xué)家J.C.A Peltier（珀?duì)栙N）發(fā)現(xiàn)的。Peltier原本是一名鐘表商，不過在30歲時(shí)，他開始了物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)和觀察。他的日常生活不是在阿爾卑斯山上燒開水，測(cè)量沸水溫度，就是在海邊觀察水龍卷，思考龍卷風(fēng)是怎么形成的。

不過也正是因?yàn)檫@些看似“無用”的舉措，才產(chǎn)生了許多“有用”的科學(xué)原理，所以讓我們一起說：謝謝珀?duì)栙N！

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溫差電現(xiàn)象三巨頭

隨著物理學(xué)的發(fā)展日漸完善，科學(xué)家們將珀?duì)栙N效應(yīng)和另外兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)歸納在一起，統(tǒng)稱為溫差電現(xiàn)象。現(xiàn)在利用這三個(gè)現(xiàn)象制造的機(jī)器已經(jīng)遍布全世界了，甚至還有沖出地球的（別急，看到后邊你就知道具體是什么了）。

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溫差電現(xiàn)象三巨頭都是哪些？

珀?duì)栙N效應(yīng)前邊提過了，接著給大家介紹塞貝克效應(yīng)：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體連接成回路，而且兩邊的材料溫度不同時(shí)，電路之中會(huì)產(chǎn)生電流。這一效應(yīng)是珀?duì)栙N效應(yīng)的逆效應(yīng)。

也就是說拿一個(gè)半導(dǎo)體制冷片，在兩邊制造溫差（比如一面貼上冰塊，另一面放上保溫袋）這個(gè)半導(dǎo)體制冷片就變成了一個(gè)利用溫度差來發(fā)電的發(fā)電機(jī)。

最后一個(gè)現(xiàn)象是湯姆孫效應(yīng)：當(dāng)一個(gè)存在溫度梯度的均勻?qū)w（一端熱一端冷的一截鐵絲）中通有電流時(shí)，導(dǎo)體會(huì)吸收或者放出一定的熱量。

利用珀?duì)栙N效應(yīng)制作的半導(dǎo)體制冷片，讓我們享受到了冰可樂和熱奶茶，但發(fā)電就要靠塞貝克效應(yīng)了：溫度差+熱電轉(zhuǎn)換器=發(fā)電機(jī)。

二戰(zhàn)時(shí)期，蘇聯(lián)游擊隊(duì)苦于無線電臺(tái)沒地方充電，而普通的發(fā)電機(jī)都是大塊頭而且用起來噪聲很大。于是他們委托科學(xué)家研制出了一種基于塞貝克效應(yīng)的水壺?zé)犭姲l(fā)電機(jī)，它看起來和普通的水壺沒什么區(qū)別，但它是利用篝火和水之間大約300度的溫差來發(fā)電的，并且這一發(fā)電機(jī)的充電功率能達(dá)到6W。

(圖源：pikabu.ru)

后來，還出現(xiàn)了利用煤油燈熱量發(fā)電的TKG-3發(fā)電機(jī)，大家在晚上點(diǎn)燃煤油燈就能給收音機(jī)充電。

(圖源：pikabu.ru)

04

小巧的“核電站”——RTG

因?yàn)闊犭姲l(fā)電機(jī)本身沒有活動(dòng)部件，皮實(shí)耐造的特點(diǎn)讓它成了航天界的寵兒。

在進(jìn)行深空探測(cè)任務(wù)時(shí)，航天器可能會(huì)遠(yuǎn)離太陽或是處于陰影區(qū)，光照嚴(yán)重不足且面臨低溫環(huán)境。這種環(huán)境下航天器的電力供應(yīng)是一個(gè)大問題。

解決這個(gè)問題的便是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器，簡稱RTG（RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator）。RTG利用塞貝克效應(yīng)將放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能。

RTG的發(fā)電過程分為衰變熱收集階段以及溫差發(fā)電階段，以典型的 RHU/RTG為例：放射性元素 （钚-238）衰變時(shí)會(huì)釋放射線，構(gòu)成射線的高能粒子和周圍物質(zhì)相互作用時(shí)被阻止和吸收，這一過程會(huì)產(chǎn)生熱量。

裝有的裝置相當(dāng)于一個(gè)產(chǎn)熱非常持久的熱源（能夠持續(xù)發(fā)熱幾十年）。有了持久的熱源， RHU/RTG的發(fā)電能力也非常的持久和穩(wěn)定，它在發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的廢熱又能用來給航天器保溫，一舉兩得。

RHU: radioisotope heating unit 同位素?zé)嵩?/p>

RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator 同位素?zé)犭姲l(fā)生器

(圖源：參考文獻(xiàn)1)

安裝在“旅行者二號(hào)”探測(cè)器（1977年發(fā)射，在2018年已飛出了太陽風(fēng)層，成為第二個(gè)進(jìn)入星際空間的飛行器）上的RTG已經(jīng)穩(wěn)定工作了41年，好奇號(hào)火星火車和嫦娥四號(hào)著陸器上也都配備了RTG。

好奇號(hào)火星車尾部的RTG

(圖源：Wikipedia)

當(dāng)然，RTG連宇宙的極端環(huán)境都能夠克服，地球上的極端環(huán)境對(duì)它來說就是小菜一碟了。

在有著漫長極夜的北極圈冬季，燈塔的能源供應(yīng)靠的就是RTG。截至1992年，美國的軍隊(duì)在北極布置的軍事設(shè)施也是利用RTG來進(jìn)行供電。小型化的钚-238電池曾經(jīng)還被用來當(dāng)作心臟起搏器的電池。

隨著柔性電路以及新材料的出現(xiàn)，利用溫差電現(xiàn)象制作的設(shè)備性能也將大幅提高?；蛟S以后的智能手表利用人體皮膚和空氣的溫差就能夠得到充足的電力，或者把柔性的半導(dǎo)體制冷器件植入衣服，就能得到一件無懼夏天的制冷服。

參考文獻(xiàn)：

[1]牛廠磊, 唐顯, 李鑫,等. ~(238)Pu同位素?zé)?電源的發(fā)展及展望[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2020, 54(S01):9.

[2]蔡善鈺, 何舜堯. 空間放射性同位素電池發(fā)展回顧和新世紀(jì)應(yīng)用前景[J]. 核科學(xué)與工程, 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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