迷你小冰箱竟是“核電站”的“遠房親戚”？

今天的故事要從一個小冰箱說起。

火炎焱燚熱的夏天，一個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——半導體制冷片。

半導體制冷片長這樣：

（圖源：wikipedia）

它的結(jié)構(gòu)很簡單，一塊小方片和兩根導線。在給制冷片通電的時候，這個小方片的一面會發(fā)熱，另一面則會變冷。改變通電方向后，發(fā)熱面和制冷面也會對調(diào)，采用半導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體制冷。

半導體制冷片將兩種不同的半導體材料貼合在一起，接著從兩種材料各自引出一根導線。在工作時，將導線接通直流電源，熱量就會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)象被稱為珀爾貼效應（Peltier effect）。這個效應是在1834年由法國物理學家J.C.A Peltier（珀爾貼）發(fā)現(xiàn)的。Peltier原本是一名鐘表商，不過在30歲時，他開始了物理學的實驗和觀察。他的日常生活不是在阿爾卑斯山上燒開水，測量沸水溫度，就是在海邊觀察水龍卷，思考龍卷風是怎么形成的。

不過也正是因為這些看似“無用”的舉措，才產(chǎn)生了許多“有用”的科學原理，所以讓我們一起說：謝謝珀爾貼！

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溫差電現(xiàn)象三巨頭

隨著物理學的發(fā)展日漸完善，科學家們將珀爾貼效應和另外兩位科學家發(fā)現(xiàn)的效應歸納在一起，統(tǒng)稱為溫差電現(xiàn)象?，F(xiàn)在利用這三個現(xiàn)象制造的機器已經(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？

珀爾貼效應前邊提過了，接著給大家介紹塞貝克效應：當兩種不同的導體連接成回路，而且兩邊的材料溫度不同時，電路之中會產(chǎn)生電流。這一效應是珀爾貼效應的逆效應。

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

最后一個現(xiàn)象是湯姆孫效應：當一個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，導體會吸收或者放出一定的熱量。

利用珀爾貼效應制作的半導體制冷片，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了：溫度差+熱電轉(zhuǎn)換器=發(fā)電機。

二戰(zhàn)時期，蘇聯(lián)游擊隊苦于無線電臺沒地方充電，而普通的發(fā)電機都是大塊頭而且用起來噪聲很大。于是他們委托科學家研制出了一種基于塞貝克效應的水壺熱電發(fā)電機，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)電機的充電功率能達到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，大家在晚上點燃煤油燈就能給收音機充電。

(圖源：pikabu.ru)

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小巧的“核電站”——RTG

因為熱電發(fā)電機本身沒有活動部件，皮實耐造的特點讓它成了航天界的寵兒。

在進行深空探測任務時，航天器可能會遠離太陽或是處于陰影區(qū)，光照嚴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是一個大問題。

解決這個問題的便是放射性同位素熱電發(fā)生器，簡稱RTG（RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator）。RTG利用塞貝克效應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）衰變時會釋放射線，構(gòu)成射線的高能粒子和周圍物質(zhì)相互作用時被阻止和吸收，這一過程會產(chǎn)生熱量。

裝有的裝置相當于一個產(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 同位素熱源

RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator 同位素熱電發(fā)生器

(圖源：參考文獻1)

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

好奇號火星車尾部的RTG

(圖源：Wikipedia)

當然，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，燈塔的能源供應靠的就是RTG。截至1992年，美國的軍隊在北極布置的軍事設施也是利用RTG來進行供電。小型化的钚-238電池曾經(jīng)還被用來當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：

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

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