同分異構體弱核電池能否成為人類的終極能源？

1977年，美國宇航局的"旅行者"號的探測器開始啓程，它們開始了後來被證明為是有史以地球物體最漫長的太空旅程。這兩個航天器現在均已離開了太陽系，但它們仍然在給地球發回星際測量數據。

很少有人注意到，維持兩個探測器漫長飛行的動力電池。

在我們的日常生活中，電池似乎從來沒有持續足夠長的時間。我們每天必須給我們的手機、筆記本電腦充電，似乎永遠無法滿足需求，這足以讓我們期待一個新的能源形式。

我們可能正逐漸接近這一點。"旅行者 "號探測器使用的是一種弱核動力源電池，這種核動力源電池具有放射性，在地球上使用是很危險的，但它的能量形式卻相當巨大。美國陸軍現在已經重啓這種“放射性同位素熱電發生器”技術的研究，這可能會給弱核動力源電池帶來一個重獲新生的機會。

當燃燒汽油汽車發動機工作時，我們正在釋放儲存在化學鍵中的能量。同樣，像手機這樣的鋰基電池也是通過讓帶電離子流動來工作的，但如果我們超越化學，將目光投向原子本身，就能獲得更大的能量。

每一個原子都由被稱為質子和中子的粒子組成的原子核，並由電子雲環繞。這些質子和中子通常會在恆星內部的極端温度和壓力下融合在一起，如果我們以正確的方式深入到原子核中，就可以提取一些可怕的力量。人類的技術水平目前主要是通過核裂變的方法，其中一個原子核釋放出中子，然後分裂出更多的原子，引起連鎖反應，釋放出巨大的能量。這就是世界上440多座核電站的工作方式。還有一種核聚變辦法，它的威力更大，但依靠的是以我們尚未掌握的可控方式將原子核擠在一起的方式。

旅行者號探測器以另一種方式獲得能量：它們利用天然的放射性。有些原子是不穩定的，它可能是一個由兩個質子和兩個中子（α輻射）、一個電子（β輻射）或原始能量組成的集羣，以伽馬射線的形式出現。

我們無法預測一個特定的原子何時會以這些方式衰變，但我們可以説，在一團放射性物質中，有一半的原子需要多長時間才能做到這一點。這就是它的半衰期，而這個數字可以變化很大。有些放射性物質在幾秒鐘內就會消失，而鈈238的半衰期長達87.7年，這就是為什麼它被選為旅行者2號的動力源。利用旅行者號探測器的三個手提箱大小的放射性同位素熱電發生器，鈈釋放出阿爾法粒子流，產生熱量，並轉化為電能。

放射性元素的名聲不好，但不是所有類型有害。伽馬射線能最深地穿透人體組織，是危險的，而貝塔射線並不那麼糟糕，阿爾法輻射不會穿透皮膚。事實上，70年代初的心臟起搏器的動力來自於封裝良好的放射性核素熱電。

美軍正在研究的概念是一種融合了其他類型核電的優點的核電技術，它可能是強大、安全和持久的能源途徑。這種技術取決於這樣一個事實，即，特定元素的質子和中子可以在原子中以不同的排列方式聚集在一起。這些異構體每個都有不同的能量。原子通常以最穩定的同分異構體基態存在。高能異構體往往很快就會重新排列回這種狀態，但也有少數高能異構體會長期存在。

潛在的能量

1998年，美國德克薩斯大學的卡爾·柯林斯用粒子加速器準備了一個穩定的高能異構體，稱為“鉿-178m2”，這是鉿-178的第二個異構體。然後，他向它的原子核發射X射線，這將使原子核轉移到其地態，成功釋放出一陣伽馬射線。不過，這些射線是很難被利用的，因為它們太危險了，但柯林斯認為，這是一個原則性的證明。核異構體可以成為有用的動力來源。柯林斯認為這種技術可以作為新型核彈使用。其能量釋放的能量可能比化學反應高5個數量級，但比核裂變反應低2個數量級。

許多科學家嘲笑柯林斯的説法，認為他必須投入更多的能量來觸發同分異構體轉變，而不是他所得到的能量。另外，還需要一個粒子加速器來製造鉿的異構體，這意味着成本高產出少。

其它高能異構體可能會解決這些問題。例如，鉭-18om在可開採的鉭礦牀中自然出現，銀-108m產生β輻射，危險性較低，也更容易開採。這些都不能使同分異構體能源成為一個安全的選擇，但創造一個有效的無限能源的前景可能使得這種研究方向值得繼續努力。類似的道理也適用於法國ITER核聚變反應堆，它已經花費了116億歐元建造，儘管其目的僅僅是作為一種技術示範，並不會產生能源動力。

柯林斯的方法是將異構體的所有潛能一次性釋放出來，想象一下，你有一塊放射性異構體，像鉿-178m2一樣，然後它被轟擊，將電子注入到核中，同時將它們推到一個不太穩定的異構體中，這種異構體如此迅速地衰變，科學家們推斷，這是它產生的伽馬射線創造的衰變。美國海軍工程教育財團資助的項目在2018年首次證明了該技術的可行性。

英國薩里大學核異構體物理學教授菲利普·沃克認為，實驗已經邁出了重要的一步，但關於它是否是一種突破，科學界尚未形成廣泛共識。這主要是對從異構體中可以榨取多少能量存在爭議。

德國海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的阿德里安娜·帕菲的計算表明，通過放射性衰變而耗盡的原子數量應該減少10億倍。

目前，異構體核動力電力遠不能作為實際用途。但在柯林斯的論點仍然適用:還有其它異構體可以更容易獲得和利用。問題是，異構體的確切屬性很難計算，科學家們只有在試過之後才知道它們有多合適。

這正是美軍現在要做的事情。美國陸軍研究實驗室正在贊助波蘭“斯維爾剋核技術和設備”研究同分異構體的科學。該團隊由雅克·扎德凱維奇領導，他們可以使用波蘭的MARIA實驗核反應堆，可以產生各種不同的異構體。

扎德凱維奇説："該項目的目標是瞭解該過程的性質。換句話説，找出哪種異構體可以做一個好電池。”波蘭團隊正在研究錸-186m和鎇-242m等電池。

目前，還不知道如何在比粒子加速器更小的規模內完成同分異構體的轉移。不過，研究人員還是有足夠的動力讓同分異構體電池工作，因為它們會把巨大的能量裝進一個小體積裏。扎德凱維奇説："同分異構體可以儲存能量，容量高達每克超過千兆焦耳。"

這比鋰離子電池多出一百萬倍，比汽油多出數萬倍。