科學家的革新紀實：好奇之火，星星可燎原

兩位聯合首席研究員Mark Nurge博士（左）和Robert Youngquist博士（右）拿著帶有低溫選擇性塗層的樣品盤。這項新型技術能用來儲存超低溫液體，或保護宇航員在火星之旅中免受輻射。

圖片來源：美國宇航局／Bill White

圖中，Robert Youngquist博士在測試一個有日光白色的低溫選擇性塗層的樣品盤。樣品盤被放置在一個模擬太陽產生光和熱的電子感測器前面。這種新型塗層預計能夠反射超過99.9%的模擬太陽紅外輻射。

圖片來源：美國宇航局／Bill White

測試在肯尼迪航天中心應用物理實驗室進行。日光白塗層會被暴露於圖右上角的光熱感測器前，研究目的是證實塗層可以反射模擬太陽能與紅外光。

圖片來源：美國宇航局／Bill White

在肯尼迪航天中心的低溫物實驗室中，Mark Nurge博士正在使用電腦檢查「日光白」測試樣本的溫度數據。

圖片來源：美國宇航局／Bill White

NASA的火星之旅要求開創性的科技和方法來處理一些複雜問題。對於這兩位科學家來說，最初簡單的好奇心幫助他們實現火星之旅。

在太空梭項目進行期間，中心的工作人員曾獲得過一個小型硬紙板材質的紀念品，有效載荷艙的內襯。Robert Youngquist博士也是獲得紀念品的人員之一。

「我記得我當時研究這塊帶有反射塗層的塑料片，納悶兒到底是什麼讓它與眾不同。」，Youngquist博士最近在他的反射性表面塗層報告中寫道，「在經過了一系列研究之後，我不久就理解了它的獨特設計——在反射太陽光的同時仍能夠釋放紅外線能量。」

反射陽光是解決月球工作和火星之旅面臨的眾多挑戰的關鍵。Youngquist和他的夥伴Mark Nurge博士目前正在研究低溫選擇性塗層。這項新型技術會實現儲存低溫或者超冷液體，以及幫助宇航員隔離輻射並幫助產生磁場。

液態氧是支持太空飛行的一個重要低溫物質，經常被用作火箭推進劑，能轉化為氣體以支持燃燒。儲存這種低溫物質需要可以反射太陽射線的塗層，使容器內物質保持低溫。

根據美國國家標準技術研究所的定義，低溫物質包含溫度低於華氏零下292度的物質。這是通常以氣態存在的氧、氫、氮和空氣在液態時的沸點。其中的困難就在於，由於低溫液體有可能會汽化，長期儲存可以說非常困難，甚至是不可能的。

Youngquist解釋說，低溫選擇性塗層理論上可以反射幾乎所有的太陽輻射。確保這些低溫物質不會汽化，將是一個非常重要的突破。

「在2014年，我嘗試提出高反射性塗層這個想法以期獲得NIAC（NASA創新概念）基金青睞」， Youngquist說，「我知道在深空儲存低溫物質困難重重，但也預見到有近乎理想的反射性表面也許能解決這個問題。」

Youngquist與Nurge兩個人都是從20世紀80年代末就開始在肯尼迪中心進行相關研究。

Youngquist生長在紐約羅克維爾中心，在7歲的時候全家搬到弗羅里達。後來他回到紐約州，在羅切斯特大學獲得學士學位，又繼續在加州斯坦福大學進修並攻得應用物理學博士學位。1988年後，Youngquist在弗羅里達航天發射場工作。

Nurge也在紐約長大，直到17歲時全家從長島搬到弗羅里達州。他在喬治亞理工學院拿到電氣工程學學士學位和碩士學位，又在中佛羅里達大學攻得了工程管理和物理學碩士學位，接著是物理學博士。1987年之後，Nurge進入肯尼迪中心工作。

NASA設立NIAC的目的，是支持像Youngquist和Nurge一樣的科學家和工程師實現有遠見的創想NIAC最初的負責人Robert Cassanova博士和Sharon Garrison經常用一句話來鼓勵創新：勿讓現實扼殺想像。

Nurge指出，在NIAC第一輪資金的支持下，一個項目可以有9個月的時間，從創想發展成為一個可行的、創新的概念。

「第一輪資金的支持讓我們得以進行理論研究」，他說，「我們建立了一個計算機模型來證明這個概念至少理論上可行。」

在那段時間裡，Youngquist和Nurge研究出了預計可以反射99.9%太陽能的「日光白」塗層。

「這種塗層不僅可以反射太陽輻射」，Youngquist說，「同時，它還能釋放紅外線以達到冷卻的效果，即便是在陽光下。」

所以，哪種材料在太空中能夠最大程度地反射太陽光呢？

「航天器的隔熱瓦主要由玻璃纖維製成」，Nurge說，「我們注意到這個核心材料散射作用非常好。這讓我們開始考慮那些可以散射和反射太陽電磁波譜的物質。」

在肯尼迪應用物理實驗室的理論模型結果表示，在大氣層外，低溫選擇性材料可以保持零下338華氏度的冷卻溫度。

「如果這個結果在現實物質和條件下成立，那麼實現太空低溫物質儲存和超導系統將不再依靠佔用重量和空間的主動冷卻系統。」Youngquist說。

這一結果會使得長時間深空低溫儲存和大規模地使用超導系統成為可能，讓阻隔GCR（銀河宇宙輻射）、大規模能量儲蓄等應用技術得以實現。

超導物質是一種沒有電阻的導體。跟我們熟知的導體例如銅或者鋼不同，超導體可以無限期地導電，並且不損失任何能量。超導物質主要應用於磁懸浮列車、磁共振成像或醫院用的核磁共振成像中的強大的超導電磁鐵。

磁懸浮列車利用磁懸浮技術沿著鐵軌行進，超導磁體在其中提供升力和推進力。地球的磁場保護人類和近地軌道衛星免受宇宙輻射。然而，當航天器在外太空飛行，宇航員們就需要能夠屏蔽太陽耀斑或者其他形式宇宙輻射的保護措施。

他說：「我開始研究那些由距離航天器很遠的超長（上千米長）超導電線組成的開放性磁場的結構。我堅信這是通過主動屏蔽來保護宇航員免受GCR（銀河宇宙輻射）的唯一可行方法。但問題來了，如何才能讓這些電線維持足夠的低溫來保持超導性能呢？」

答案就是低溫選擇性塗層了！

今年2月，Youngquist和Nurge向NIAC官方提交了《關於低溫選擇性表面的理論模型》第一輪研究的最終報告。隨後，他們獲得了額外兩年的研究經費來進一步地發展這個設想以及評估實現的成本、效果、研發時間和商業價值。

「進入第二輪，我們計劃構建新的塗層，並在模擬深空環境中進行測試」，Nurge說，「我們想要驗證理論模型在實際環境中的效果，這會幫助我們判定，在距離太陽一個天文單位以外的深空環境中，超導溫度是否能夠被動地實現。」

一個天文單位為92.8百萬英里，是地球到太陽的平均距離。「『日光白』並不是塗上去的，而是由一個中等厚度的散射層組合而成，通常為2-5毫米」，Youngquist說，「它由一種可以透過大多數太陽光譜的材料製成。這種散射層起到類似『散射』太陽光的作用，近似白色顏料中的鈦白粉反射光，只是反射作用更甚。」

Nurge補充到，研發「白中白」的可能性至關重要。他說：「最純粹的白會對太陽光（從紫外線到紅外線）起到最佳的反射和散射作用。」

在肯尼迪中的實驗測試中，Youngquist和Nurge與化學家一起研發「日光白」塗層樣本。他們計劃將樣本暴露在產生光能熱能的感測器中，以驗證塗層表面能否反射模擬的能量和太陽紅外線。

在接下來的兩年里，Youngquist和Nurge會展開「真實環境」測試，測試結果可能會使這個創想成為突破性的技術之一，讓我們離外太空之旅更近一步。

「在深空探索的道路上有很多困難」，Youngquist說，「但是在這種幾乎能阻擋所有太陽能，同時又釋放熱量的塗層研發成功之後，我們就能夠減輕甚至解決一些困難！」（翻譯：Erica 校核：Mirai）

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