王遠(yuǎn)

生活在現(xiàn)代社會(huì)里，幾乎每個(gè)人都能體會(huì)到電池的重要性。想象一下，出門在外手機(jī)突然沒電了，那是多么令人難受的一件事情。未來有沒有可能發(fā)明一種電池，擁有巨大的能量，能夠讓我們超長(zhǎng)時(shí)間使用？答案是：可能的。

放棄又拾起的能源

1977年，旅行者號(hào)探測(cè)器（1號(hào)和2號(hào)）起飛，開始了宇宙旅程?，F(xiàn)在，它們已經(jīng)離開了太陽系。你或許會(huì)問，“這么長(zhǎng)時(shí)間了，它們飛行的能量還沒用完嗎？”是的，因?yàn)樗鼈冇泻芎玫碾姵兀〒?jù)稱，這些電池將持續(xù)到2025年）。

在日常生活中，電池似乎無法持續(xù)那么長(zhǎng)的時(shí)間。手機(jī)的電量好像每天都被我們榨干，筆記本電腦似乎對(duì)電源線的渴求不斷，而電動(dòng)汽車往往還沒走多久就不得不停下（充電）……這個(gè)時(shí)候，我們都渴望一種新型的電源。

也許在不久的將來，它就會(huì)出現(xiàn)在我們的生活中。旅行者號(hào)探測(cè)器使用的是弱核動(dòng)力源，具有放射性，在地球上使用很危險(xiǎn)。不過，新型電源的形式與它密切相關(guān)，如果最終開發(fā)出來，我們將得到更大的能量，而且可以在普通汽車中安全地工作。很早的時(shí)候，人們就認(rèn)識(shí)到這種能源。20年前，科學(xué)家們?cè)退M(jìn)行了激烈的爭(zhēng)論，造成的結(jié)果是它逐漸淡出了人們的視線?，F(xiàn)在，美國(guó)陸軍研究所已經(jīng)緊緊盯住了它，并進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，可能會(huì)賦予它新的生命。

從原子中尋找能量

能量的儲(chǔ)存方式大多數(shù)都與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。當(dāng)汽油在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒時(shí)，釋放的是化學(xué)鍵中存儲(chǔ)的能量。同樣，手機(jī)等設(shè)備中的鋰電池也是通過帶電離子的流動(dòng)來工作。但是，如果我們超越化學(xué)反應(yīng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在原子的內(nèi)部蘊(yùn)藏著更大的能量。

每個(gè)原子由原子核與核外電子構(gòu)成，而原子核中有質(zhì)子和中子。這些質(zhì)子和中子在極端的溫度和壓力環(huán)境下（如恒星內(nèi)部）通常會(huì)融合在一起。如果以正確的方式深入原子核，則可從中提取令人震驚的能量。一種方式是“核裂變”：核釋放出中子，然后中子會(huì)使更多的原子分裂，從而導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放出大量的能量（目前世界上大多數(shù)核電站就是采用這種方式）。還有一種方式是“核聚變”，它產(chǎn)生的能量可能更強(qiáng)大，但要以可控的方式將核束縛在一起。

但是，旅行者號(hào)探測(cè)器卻以另一種不同的方式獲取能量：它們利用天然放射性。一些原子是不穩(wěn)定的，會(huì)不時(shí)地吐出大量的物質(zhì)和能量——可能是兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子（α射線）、一個(gè)電子（β射線）或者是γ射線形式的原始能量。

所有輻射都危險(xiǎn)？

我們無法預(yù)測(cè)一個(gè)原子什么時(shí)候會(huì)這么衰變，但我們知道，一團(tuán)放射性物質(zhì)的原子，其半數(shù)完成衰變需要多長(zhǎng)時(shí)間，這是它的“半衰期”，其長(zhǎng)短差別很大，短的遠(yuǎn)小于一秒，長(zhǎng)的可達(dá)數(shù)百億年。钚-238的半衰期為87.7年，這是它被選作旅行者探測(cè)器動(dòng)力的一個(gè)原因。它會(huì)放射出一堆α粒子流，并產(chǎn)生熱量，該熱量被探測(cè)器上的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器轉(zhuǎn)化為電能。

說起放射性同位素，人們第一反應(yīng)通常是它會(huì)給人體造成傷害，但事實(shí)上，并非所有的放射性同位素都是如此。γ射線能夠穿透人體組織，它很危險(xiǎn);β射線能被體外衣服消減或阻擋，所以危險(xiǎn)性一般;α射線無法穿透皮膚，只有在進(jìn)入人體時(shí)才會(huì)造成傷害。事實(shí)上，直到20世紀(jì)70年代初，心臟起搏器才配備了功能完備的放射性同位素?zé)犭姍C(jī)。

美國(guó)陸軍研究所關(guān)注的能源，融合了其它核能最好的部分，可能更強(qiáng)大、安全且持久，這就是異構(gòu)體。異構(gòu)體指的是，特定元素的質(zhì)子和中子可以以不同的排列聚集在原子核中，各自具有不同的能量。原子通常以其最穩(wěn)定的異構(gòu)體（基態(tài)）存在，高能異構(gòu)體則往往會(huì)迅速將自身重新排列回此狀態(tài)，但是有一些高能異構(gòu)體可以穩(wěn)定地持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。

狀態(tài)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生能量

1998年，美國(guó)得克薩斯大學(xué)的卡爾·柯林斯使用粒子加速器制備了一種穩(wěn)定的高能異構(gòu)體，稱為鉿-178m2（m2表示這是鉿-178的第二種異構(gòu)體）。然后，他向其原子核發(fā)射X射線，并聲稱將該原子核移至了基態(tài)，同時(shí)還釋放出了伽瑪射線。這種材料非常危險(xiǎn)，因此很難被開發(fā)成能源。但柯林斯認(rèn)為這是原子核的異構(gòu)體能用來作能源的原理性證明，甚至可以用其制造新型的核彈。

許多科學(xué)家嘲笑柯林斯，認(rèn)為他進(jìn)行異構(gòu)體轉(zhuǎn)化所投入的能量比得到的還多。此外，他需要使用粒子促進(jìn)劑來制造“鉿”的異構(gòu)體，這意味著耗費(fèi)巨資卻只能獲取少量收益。后來這被稱為“鉿的爭(zhēng)議”。

這些問題，其它高能異構(gòu)體可能解決。例如，銀-108m雖會(huì)產(chǎn)生β輻射，但這種輻射危險(xiǎn)性較小，且易于開發(fā)。異構(gòu)體的安全性始終沒人敢打包票，但如果它們能夠產(chǎn)生有效的、無限的能源，我們似乎可以放手一搏。

柯林斯的方法是將異構(gòu)體的所有能量一口氣釋放出來。但是，有一種不同的方法更加管用，我們已經(jīng)知道它幾十年了，只是一直沒有正確地研究它。

無定論的爭(zhēng)議

想象一下，你擁有一塊放射性異構(gòu)體，例如鉿-178m2，它能量很高，也很穩(wěn)定。你可以將它安全地、長(zhǎng)時(shí)間地放置在容器中，它幾乎不會(huì)發(fā)出任何輻射。當(dāng)你需要一些能量時(shí)，就將它的一部分轉(zhuǎn)換為基態(tài)，這部分會(huì)變得極不穩(wěn)定，并開始迅速發(fā)生放射性衰變。很快，你將獲得與“旅行者”一樣的能量源，而且它可以隨時(shí)啟用。

美國(guó)陸軍的研究人員正在研究如何將這種設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。似乎有一種方法可以做到：向異構(gòu)體發(fā)射電子，當(dāng)這些電子被吸收到核周圍的軌道中，會(huì)促使質(zhì)子和中子重新進(jìn)行排列。這稱為“電子捕獲核激發(fā)（NEEC）”，最早于1976年提出。

“火星任務(wù)2020”探測(cè)器裝有核動(dòng)力電池

美陸軍新型多用途無人車輛（SMET）裝備有最新的異構(gòu)體電池

研究人員使用粒子加速器制造了鉬-93m原子束，其半衰期約為7小時(shí)。它有10%左右的光速，足以剝離掉一些原子的電子。研究人員用它撞擊靶標(biāo)，該靶標(biāo)將電子注入到原子核中，同時(shí)使它們逐漸變成不穩(wěn)定的異構(gòu)體。由于異構(gòu)體衰變速度很快，研究人員雖然無法觀察到這個(gè)過程，但推斷它產(chǎn)生了γ射線。這樣的異構(gòu)體能產(chǎn)生多少能量呢？實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，如果是1%的原子接受NEEC，那么該過程每投入1焦耳就能產(chǎn)生5焦耳的能量。這項(xiàng)研究成果于2018年發(fā)表，是對(duì)NEEC首次闡釋。

未來的電池

研究人員承認(rèn)，目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)不了用鉬的異構(gòu)體來做電池。然而，柯林斯的觀點(diǎn)仍然適用——還有其它異構(gòu)體可能更容易使用，可以利用它們產(chǎn)生能量。問題在于異構(gòu)體的準(zhǔn)確屬性很難推測(cè)，除非對(duì)它們進(jìn)行試驗(yàn)，否則我們無法知道它們的適用性。

這正是美國(guó)陸軍研究人員現(xiàn)在想要做的，他們正與波蘭科學(xué)家進(jìn)行合作。波蘭有個(gè)“MARIA”實(shí)驗(yàn)核反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆可以生產(chǎn)各種不同的異構(gòu)體。他們的目標(biāo)是了解各種異構(gòu)體如何根據(jù)需要來充電和放電，換句話說，就是要找出哪些異構(gòu)體可以用來做電池。該團(tuán)隊(duì)正在研究錸-186m、镅-242m以及其它的異構(gòu)體。

除了使用粒子加速器，目前還沒有找到比這更適合的轉(zhuǎn)化異構(gòu)體的方法。但是，異構(gòu)體用來做電池動(dòng)力是絕對(duì)足夠的，因?yàn)樗鼈兡軐⒕薮蟮哪芰看虬珊苄〉捏w積。研究人員認(rèn)為，每克異構(gòu)體可以存儲(chǔ)高達(dá)千兆焦耳的能量，是鋰離子電池的一百萬倍，是汽油的數(shù)萬倍。

風(fēng)險(xiǎn)巨大的賭注

為什么美國(guó)陸軍對(duì)異構(gòu)體如此感興趣？讓我們看一組數(shù)據(jù)：1千克镅-242m，可以供SMET（美國(guó)一種用于運(yùn)載士兵裝備的無人駕駛軍車）行駛163天，而20升汽油只能供它行駛?cè)?。此外，無人機(jī)、機(jī)器人潛艇也可以使用異構(gòu)能源。

任何帶“核”的事物，其安全性都會(huì)受到人們的關(guān)注。產(chǎn)生γ射線的異構(gòu)體不可以被使用，但如果是發(fā)射β或α粒子的異構(gòu)體，那將是可以的。事實(shí)上，家用電器電池需要的放射性物質(zhì)的數(shù)量可能比醫(yī)院常規(guī)設(shè)備需要的少。

投資異構(gòu)體能源是風(fēng)險(xiǎn)很大的賭注。但我們?cè)S多偉大的成就一開始不都是這樣？在20世紀(jì)50年代太空競(jìng)賽剛開始時(shí)，誰會(huì)想到，僅僅幾十年后，我們已經(jīng)能夠向太陽系的邊緣發(fā)射探測(cè)器了！而現(xiàn)在，太空航行已經(jīng)私人化、商業(yè)化了！