【物理史中的四月】1965年4月3日:在太空的動力

1965 年 4 月 3 日:在太空的動力

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2014 年 4 月)

哥倫布(Christopher Columbus)在一封寫給他的贊助者,談到他第一次航行到新世界遇見原住民時的信中這麼寫著:「原住民既不知宗教,也不知崇拜,他們只相信所有力量和美好的事物都來自天上…。」1哥倫布指的是當地原住民的信仰,他們認為哥倫布、他的伙伴以及船隻都來自地球以外的某個地方。500 多年後,我們已成為新世界的航行者,經由太陽系,進入更遙遠的外太空。

哥倫布靠著風力來驅動他的船,星星來指引路途,船員的肌力來控制船隻。在地球軌道上的太空船使用太陽能電池,提供通訊和儀器操作所需的能源。在地球之外的星球,以及外太空中,太陽輻射太弱了,無法讓太陽能電池提供太空船導引,和聯絡通訊的能源。

1960 年代的一個發明成功提供了此能源,也是這些太空飛行能成功的關鍵因素。這個放射性同位素熱電發電機(RTG)供應太空梭所需導航、通訊以及其他所有需要動力的能源。放射性同位素熱電發電機由放射性的鈽 238 所組成,它主要放射出 ~ 5MeV 的 α 粒子,半衰期為 87.7 年。α 粒子在放射性氧化鈽內短距離被吸收,將其加溫至高達 1,000℃ 的溫度。RTG 的設計將此熱源和兩個並排的半導體元件,一個 N 型,一個 P 型,接觸。它們在 1,000℃ 一定要穩定,有良好的電傳導性,以及尤其重要的,它們必須有低度的導熱性。符合這些要求唯一輕易可得的既有物質是一種矽和鍺的合金,50年後的今日仍找不出更好的替代物質。

科第(George Cody,右)和阿貝雷(Ben Abeles,左),1972年。 柯第提供

物理學家科第(George Cody)和阿貝雷(Ben Abeles)在 1960 年代初期發現了此材料的特殊性質。他們是美國無線電公司(RCA)在紐澤西實驗室的研究團隊成員,致力於研究在 1,000℃ 下測量導熱性的困難問題。由於熱輻射和其他可能的誤差,問題很複雜,所以他們先開始測鐵,以提供比較的基礎。他們使用了一種巧妙的方法,可以去除輻射損失的效應,這是瑞典的物理學家埃格斯特朗(Anders Ǻngström,長度單位「埃」以他的名字命名而聞名)最先於 1861 年所記述的。科第和阿貝雷能測出鐵的導熱性到 1,000℃,和已發表的結果相當一致。

之後,科第和阿貝雷繼續研究矽-鍺合金,這在RCA實驗室有存貨,而且在 1,000℃ 的真空中很穩定,兩人開始測量一系列不同成分比例合金的熱導性。最好的合金材料是含矽 60%,它的熱導性出奇地低,比當時所知的其他材料都要低。小組的其他成員提供了經由適當的摻雜,而具有所需電傳導性的材料,也解決了高溫下晶格變形,以及同時可以保持良好電接觸的冶金難題。

這看起來只是一個好的物理研究,得力於公司對紥實研究工作的耐心,但它卻得到了一個使得所有的行星及外太空飛行都得以成真的關鍵發明。科第和阿貝雷於 1962 年 10 月申請專利,1966 年 10 月 18 日專利獲准:獲准號碼 US 3,279,954,矽-鍺合金熱元件的熱電裝置。

最早使用此發明的太空船是 SNAP-10A(SNAP=System for Nuclear Auxiliary Power,核輔助動力系統),它從核反應器爐心所產生的熱能經由熔化的鈉鉀冷煤轉換到熱電發電機。這部太空船於 1965 年 4 月 3 日發射升空,在 700 哩高的軌道運行。在 SNAP-10A 上的矽-鍺熱電材料運作非常優異,所以後來的外太空任務都選用它作為能源。

之後的太空船包括有航海家 1 號和 2 號無人太空探測船於 1977 年發射升空,和巨大的外星球會合,以及於 1989 年發射升空到木星飛行的伽利略號太空船。美國噴射推進實驗室的邁納(Ellis Miner)提到說:「當未來的世代回顧時,航海家1號飛行至我們太陽系 4 大星球(木星、土星、天王星和海王星)的劃時代之旅,也許是人類成果最豐碩的探測任務之一。這些發現包括每個星球的大氣、熱性質、行星環系統、衛星表面以及整體性質的資訊。除非有意料之外的巨大故障,否則所使用的能源應該可以讓兩艘太空船繼續蒐集資料到 2015 年〔2〕,大約是它們發射升空後的 40 年,這都是矽-鍺 RTG 性能可靠的功勞。」

最近,好奇號(Curiosity)火星探測車以及早期的火星探測車精神號(Spirit)和機會號(Opportunity)都配備有矽-鍺 RTGs,以提供足夠的動力做為所有通訊、和處理裝備能安全無虞登陸所需必要資訊的重要信號之用。然而,這只是開始而已,之後,更會有足夠的動力可以開動大約如小型小貨車一樣大的漫遊偵測車,上下崎嶇不平的岩層、挖掘岩層表面、拿取樣品加以分析、再將結果送回地球。

航海家 1 號上面的 RTG 在經過 36 年後仍一直產生動力,上面的儀器和通訊設備還是運轉得很好。它獨自往前航行,於 2012 年 8 月 25 日離開我們的太陽系,繼續前往星際空間。

科第和阿貝雷因「他們的發明對太空通訊與偵測的貢獻」,於 1979 年榮獲富蘭克林研究院的巴蘭廷獎章(the Stuart Ballantine Medal)。他們還因矽-鍺 RTG 被國際熱電學會授予「年度發明家」的榮譽;並於 1989 年在伽利略號發射升空後獲選入紐澤西州的發明家名人堂。

 

參考:

  1. The Letter of Columbus to Luis De Sant Angel Announcing His Discovery
  2. Physics Today 43, 40 (July 1990).

 

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