儘管汽車的普及率已經很高,但大部分朋友還是會備一輛電動車,當然這裏説的電動車指的是電動自行車,一般的我們大概2-3年更換一次電瓶,這是因為電動車用的是鉛酸電池,它的儲能性能並不是特別好,但日常代步絕對不是問題!不過真正的電動車也一樣,不但時間長了電池衰減,而且還對温度敏感,冬天電池就用不久!
一百多年前愛因斯坦發表狹義相對論時就給出了一個質能方程的推導,質量和能量完全等價的!電池儲存的也是能量,那麼將一顆原子徹底轉換成能量,能讓一輛電動車跑多遠呢?電動車裝上核電池是否有可能呢?
原子怎麼轉換成能量?它藴含了多少能量?將原子轉換成能量,質能方程寫得很簡單:e=mc²,即可將質量完全轉換成能量,但這個方式連理論上都不成立,只是一個數學遊戲,因此必須從現實的角度出發,來考慮下一顆原子要如何轉換成能量!
一顆原子不行,那麼要幾顆?
輕原子的話至少要兩顆,正反粒子的話也要兩顆,如果是重原子的話,至少要一個重原子和一顆熱中子!輕原子可以通過聚變,讓兩顆原子結合成一顆新的原子,在這個過程中會產生質量虧損,而能量就來自於這一點點變化的質量(虧損的質量可以用質能公式可以計算出能量)!
第二種方式使用正反粒子,比如質子與反質子,那麼在相遇的一瞬間就會湮滅,兩顆質子的質量將完全轉變成能量,一點質量都不會剩下,這種效率是極高的!
第三種則是重原子裂變,比如鈾-235的原子,它需要被熱中子撞擊後才能發生裂變,但一個原子的尺寸極小,所以要瞄得很準才可以,但一般情況下都是一大塊鈾被熱中子撞擊,才能保證中子不從原子中的巨大空間中溜走,所以保證中子不跑出去的大塊鈾質量,就是臨界質量。
選擇什麼原子比較合適?
如果是聚變的話,那麼氘原子和氚原子比較合適,儘管鐵之前的元素都能聚變,但對於人類而言,還是氫原子稍稍簡單點,但氫有三種同位素,氕原子聚變實在太困難了,即使在太陽內部,也只有十億分之一的概率,讓氕原子聚變稱氘原子,然後氘原子再和氕原子聚變,已完成質子鏈反應的第二步。
但對於人類來説,氕氘聚變還是太難了,必須要氘氚聚變簡單點,但氚自然界中痕量,只能中子轟擊鋰-6來現場生產,氫彈就是這麼幹的!
質子鏈反應
如果是正反粒子湮滅的話,估計質子和反質子還能湊合一下,2007年6月美國費米實驗室用了將近一個月時間生產了10^14個反質子,大約需要6×10^23個反質子才一克,大概就0.12納克,實在太可憐了!不過總算是有可以計算實際基礎了!而反質子因為帶負電荷,所以還是可以被磁場約束的,比如彭寧離子阱,因此也就有了控制的基礎!
裂變的話上文已經説過了,但三者中能完全將質量轉換成能量的只有正反物質湮滅,因為聚變大約只有0.7%的質量轉換成能量,而裂變則更少,只有0.0946%左右,那麼兩個正反質子湮滅能產生多少能量呢?
一個質子的質量為:1.672621637e-27千克
質能轉換公式為:e=mc²,所以計算後
3.0e-10J,如果是一個的話那就是1.5e-10J
電動車的電機最少也是300瓦起(電動汽車的功率就幾十千瓦了,不過一般跑起來的功率十千瓦也足夠),滿功率狀態下它一秒鐘就要消耗300焦耳(電動汽車則要幾千焦耳到上萬焦耳了),相當於1,995,639,715,714.6個質子完全轉換的能量,大約就是:2萬億個,
有沒有把你給嚇到了?
不過一克氫就有597,863,843,130,471,234,003,294,195個質子
也就是五十九億億億個質子,怎麼樣,很多吧!
但一個質子(氕原子質量大致就一個質子)的能量根本不足以推動電動車,甚至連鑰匙打開閃一下液晶屏都不行。
核電池那麼優秀,為什麼還不裝到電動車上?前文説了那麼多,其實就是廢話,無論是聚變還是湮滅,又或者是裂變都不現實,現在唯一能小型化投入實用的電池是核電池!這種利用放射性衰變釋放能量的電池,壽命那是一個字:久,而且久到你懷疑人生!
旅行者的核電池
比如旅行者系列帶出去的核電池,飛行43年,還能支撐好幾個設備工作呢,儘管一號現在已經無法迴音了,但不帶任何信息的噪音還是能一點點的,在基本失效之前,大約工作了三十幾年!請問誰家的電池有那麼牛逼啊!
一般核電池有如下幾種:
1、直接充電式核電池:利用放射源發射的帶電粒子來產生電勢差,比如α粒子或者電子等
2、氣體電離式核電池和輻射伏特效應能量轉換核電池:利用其發射的粒子束對介質的電離作用來產生電勢
3、熒光體光電式核電池:利用其發射射線誘發熒光物質發光後通過光電轉換成電能
4、熱致光電式核電池、温差式核電池和熱機轉換電池:利用放射源產生的熱能來實現能量轉換。
微型大都是直接充電式核電池,電壓高,電流低,而温差式則是電壓大電流電池,體積比較大,但提供的電流也比較大,只是成本不是一般的高,絕不是電動車所能用得起的!不過《火星救援》中馬特達蒙拿來放在火星車裏取暖!
比如美一叫做NDB的公司,據説還正在研製能工作幾百年甚至幾萬年的納米金剛石電池(利用碳-14的衰變能),而且據説還能白菜價,當然我們不接受那大忽悠,但核電池耐用還真是事實,就是成本有點高,比如氧化鈈電池,那個鈈貴的有點離譜,據説是千萬美元一千克級別,這誰用得起呢?