科学家的革新纪实：好奇之火，星星可燎原

（原标题：科学家的革新纪实：好奇之火，星星可燎原）

两位联合首席研究员Mark Nurge博士（左）和Robert Youngquist博士（右）拿着带有低温选择性涂层的样品盘。这项新型技术能用来储存超低温液体，或保护宇航员在火星之旅中免受辐射。

图片来源：美国宇航局／Bill White

图中，Robert Youngquist博士在测试一个有日光白色的低温选择性涂层的样品盘。样品盘被放置在一个模拟太阳产生光和热的电子传感器前面。这种新型涂层预计能够反射超过99.9%的模拟太阳红外辐射。

图片来源：美国宇航局／Bill White

测试在肯尼迪航天中心应用物理实验室进行。日光白涂层会被暴露于图右上角的光热传感器前，研究目的是证实涂层可以反射模拟太阳能与红外光。

图片来源：美国宇航局／Bill White

在肯尼迪航天中心的低温物实验室中，Mark Nurge博士正在使用电脑检查“日光白”测试样本的温度数据。

图片来源：美国宇航局／Bill White

“我记得我当时研究这块带有反射涂层的塑料片，纳闷儿到底是什么让它与众不同。”，Youngquist博士最近在他的反射性表面涂层报告中写道，“在经过了一系列研究之后，我不久就理解了它的独特设计——在反射太阳光的同时仍能够释放红外线能量。”

反射阳光是解决月球工作和火星之旅面临的众多挑战的关键。Youngquist和他的伙伴Mark Nurge博士目前正在研究低温选择性涂层。这项新型技术会实现储存低温或者超冷液体，以及帮助宇航员隔离辐射并帮助产生磁场。

液态氧是支持太空飞行的一个重要低温物质，经常被用作火箭推进剂，能转化为气体以支持燃烧。储存这种低温物质需要可以反射太阳射线的涂层，使容器内物质保持低温。

根据美国国家标准技术研究所的定义，低温物质包含温度低于华氏零下292度的物质。这是通常以气态存在的氧、氢、氮和空气在液态时的沸点。其中的困难就在于，由于低温液体有可能会汽化，长期储存可以说非常困难，甚至是不可能的。

Youngquist解释说，低温选择性涂层理论上可以反射几乎所有的太阳辐射。确保这些低温物质不会汽化，将是一个非常重要的突破。

“在2014年，我尝试提出高反射性涂层这个想法以期获得NIAC（NASA创新概念）基金青睐”， Youngquist说，“我知道在深空储存低温物质困难重重，但也预见到有近乎理想的反射性表面也许能解决这个问题。”

Youngquist与Nurge两个人都是从20世纪80年代末就开始在肯尼迪中心进行相关研究。

Youngquist生长在纽约罗克维尔中心，在7岁的时候全家搬到弗罗里达。后来他回到纽约州，在罗切斯特大学获得学士学位，又继续在加州斯坦福大学进修并攻得应用物理学博士学位。1988年后，Youngquist在弗罗里达航天发射场工作。

Nurge也在纽约长大，直到17岁时全家从长岛搬到弗罗里达州。他在佐治亚理工学院拿到电气工程学学士学位和硕士学位，又在中佛罗里达大学攻得了工程管理和物理学硕士学位，接着是物理学博士。1987年之后，Nurge进入肯尼迪中心工作。

NASA设立NIAC的目的，是支持像Youngquist和Nurge一样的科学家和工程师实现有远见的创想NIAC最初的负责人Robert Cassanova博士和Sharon Garrison经常用一句话来鼓励创新：勿让现实扼杀想象。

Nurge指出，在NIAC第一轮资金的支持下，一个项目可以有9个月的时间，从创想发展成为一个可行的、创新的概念。

“第一轮资金的支持让我们得以进行理论研究”，他说，“我们建立了一个计算机模型来证明这个概念至少理论上可行。”

在那段时间里，Youngquist和Nurge研究出了预计可以反射99.9%太阳能的“日光白”涂层。

“这种涂层不仅可以反射太阳辐射”，Youngquist说，“同时，它还能释放红外线以达到冷却的效果，即便是在阳光下。”

所以，哪种材料在太空中能够最大程度地反射太阳光呢？

“航天器的隔热瓦主要由玻璃纤维制成”，Nurge说，“我们注意到这个核心材料散射作用非常好。这让我们开始考虑那些可以散射和反射太阳电磁波谱的物质。”

在肯尼迪应用物理实验室的理论模型结果表示，在大气层外，低温选择性材料可以保持零下338华氏度的冷却温度。

“如果这个结果在现实物质和条件下成立，那么实现太空低温物质储存和超导系统将不再依靠占用重量和空间的主动冷却系统。”Youngquist说。

这一结果会使得长时间深空低温储存和大规模地使用超导系统成为可能，让阻隔GCR（银河宇宙辐射）、大规模能量储蓄等应用技术得以实现。

超导物质是一种没有电阻的导体。跟我们熟知的导体例如铜或者钢不同，超导体可以无限期地导电，并且不损失任何能量。超导物质主要应用于磁悬浮列车、磁共振成像或医院用的核磁共振成像中的强大的超导电磁铁。

磁悬浮列车利用磁悬浮技术沿着铁轨行进，超导磁体在其中提供升力和推进力。地球的磁场保护人类和近地轨道卫星免受宇宙辐射。然而，当航天器在外太空飞行，宇航员们就需要能够屏蔽太阳耀斑或者其他形式宇宙辐射的保护措施。

他说：“我开始研究那些由距离航天器很远的超长（上千米长）超导电线组成的开放性磁场的结构。我坚信这是通过主动屏蔽来保护宇航员免受GCR（银河宇宙辐射）的唯一可行方法。但问题来了，如何才能让这些电线维持足够的低温来保持超导性能呢？”

答案就是低温选择性涂层了！

今年2月，Youngquist和Nurge向NIAC官方提交了《关于低温选择性表面的理论模型》第一轮研究的最终报告。随后，他们获得了额外两年的研究经费来进一步地发展这个设想以及评估实现的成本、效果、研发时间和商业价值。

“进入第二轮，我们计划构建新的涂层，并在模拟深空环境中进行测试”，Nurge说，“我们想要验证理论模型在实际环境中的效果，这会帮助我们判定，在距离太阳一个天文单位以外的深空环境中，超导温度是否能够被动地实现。”

一个天文单位为92.8百万英里，是地球到太阳的平均距离。“ 日光白 并不是涂上去的，而是由一个中等厚度的散射层组合而成，通常为2-5毫米”，Youngquist说，“它由一种可以透过大多数太阳光谱的材料制成。这种散射层起到类似 散射 太阳光的作用，近似白色颜料中的钛白粉反射光，只是反射作用更甚。”

Nurge补充到，研发“白中白”的可能性至关重要。他说：“最纯粹的白会对太阳光（从紫外线到红外线）起到最佳的反射和散射作用。”

在肯尼迪中的实验测试中，Youngquist和Nurge与化学家一起研发“日光白”涂层样本。他们计划将样本暴露在产生光能热能的传感器中，以验证涂层表面能否反射模拟的能量和太阳红外线。

在接下来的两年里，Youngquist和Nurge会展开“真实环境”测试，测试结果可能会使这个创想成为突破性的技术之一，让我们离外太空之旅更近一步。

“在深空探索的道路上有很多困难”，Youngquist说，“但是在这种几乎能阻挡所有太阳能，同时又释放热量的涂层研发成功之后，我们就能够减轻甚至解决一些困难！”（翻译：Erica 校核：Mirai）