11 月 16 日消息，目前世界上的核聚變反應(yīng)堆都處于試驗(yàn)階段。最近研究人員利用聚變反應(yīng)堆內(nèi)部的高溫和等離子體來(lái)模擬木星大氣環(huán)境，從而測(cè)試用于宇宙飛船上的隔熱罩。
1995 年 12 月 7 日，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)一艘探測(cè)器進(jìn)入木星大氣層，并立即開(kāi)始燃燒。這艘探測(cè)器是從 6 個(gè)月前開(kāi)始繞軌道運(yùn)行的伽利略號(hào)木星探測(cè)任務(wù)而來(lái)，深入木星的目標(biāo)是對(duì)這顆太陽(yáng)系最大行星周圍的氫和氦進(jìn)行取樣。
這艘名為“木星大氣探測(cè)器”(Jupiter Atmospheric Probe) 的航天器經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，外殼能夠承受與木星空氣接觸摩擦?xí)r不斷飆升的高溫。其有一個(gè)巨大的碳材質(zhì)隔熱層，約占探測(cè)器總重量的 50%，設(shè)計(jì)目的是在探測(cè)器下降過(guò)程中通過(guò)不斷磨損來(lái)散熱。科學(xué)家曾在地球上仔細(xì)模擬過(guò)這個(gè)被稱為消融的受控過(guò)程，NASA 甚至為此建設(shè)了一個(gè)名為巨行星設(shè)施的特殊測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。
但是，當(dāng)探測(cè)器以每小時(shí)近 20 萬(wàn)公里的速度穿過(guò)木星大氣層時(shí)，摩擦將其周圍的空氣加熱到 1.5 萬(wàn)攝氏度。在這種高溫下，原子分裂成帶電粒子，并產(chǎn)生一種所謂等離子體的炙熱電漿。地球上的閃電或極光等自然現(xiàn)象都源自等離子體，太陽(yáng)本身也是一個(gè)巨大的等離子體。其常常被稱為物質(zhì)的第四種狀態(tài)，但實(shí)際上是第一種狀態(tài)。在宇宙大爆炸后的瞬間，等離子體是唯一存在的物質(zhì)。
等離子體吞噬木星探測(cè)器隔熱罩的速度比 NASA 所預(yù)料的要快得多。NASA 工程師分析了嵌在隔熱罩上的傳感器數(shù)據(jù)后，他們意識(shí)到自己精心設(shè)計(jì)的模型偏離了目標(biāo)。某些區(qū)域隔熱罩的分解速度要快得多，而某些部分要慢。探測(cè)器能幸免于難的唯一原因是，工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)中加厚了隔熱罩，為誤差留出一定余地。“這個(gè)問(wèn)題仍懸而未決，”奧本大學(xué)等離子體專家伊娃?科斯塔迪諾娃(Eva Kostadinova)說(shuō)。“但如果你想設(shè)計(jì)新的任務(wù)，你必須能夠正確模擬正在發(fā)生的東西。”
伽利略號(hào)木星探測(cè)任務(wù)結(jié)束后，科學(xué)家們利用探測(cè)器數(shù)據(jù)對(duì)消融模型進(jìn)行了調(diào)整，但仍然面臨一個(gè)大問(wèn)題：要精確再現(xiàn)高速進(jìn)入木星稠密大氣的條件非常困難，因此很難對(duì)這些模型進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試。這也為制造比目前所用碳基材料更輕更好的新隔熱材料帶來(lái)障礙。如果不能對(duì)新材料進(jìn)行測(cè)試，就很難確定它們會(huì)在價(jià)值幾十億美元的宇宙飛船上起效。
往常的測(cè)試使用激光、等離子射流和高速射彈來(lái)模擬探測(cè)器進(jìn)入大氣層時(shí)的熱量，但沒(méi)有一個(gè)是完全正確的。科斯塔迪諾娃說(shuō)：“地球上沒(méi)有哪個(gè)航天設(shè)施能達(dá)到進(jìn)入像木星大氣層時(shí)所經(jīng)歷的那種高溫條件。”
現(xiàn)在，科斯塔迪諾娃和來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校的迪米特里?奧爾洛夫(Dimitri Orlov)進(jìn)行了一項(xiàng)新研究，展示用實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆內(nèi)部的炙熱高溫測(cè)試航天器的隔熱材料。
在世界各地資助的研究設(shè)施中，有幾百個(gè)名為托卡馬克的受控核聚變反應(yīng)堆，其中包括位于英國(guó)的聯(lián)合歐洲環(huán)形反應(yīng)堆 (Joint European Torus)，以及位于法國(guó)南部的國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆 (ITER)。幾十年來(lái)，研究人員一直在用它們來(lái)研究如何用核聚變提供實(shí)質(zhì)上無(wú)限的能量。在托卡馬克內(nèi)部，高壓下的強(qiáng)磁鐵用于約束高速旋轉(zhuǎn)的等離子體，使其達(dá)到原子聚變和釋放能量所需的數(shù)千萬(wàn)度高溫。一些批評(píng)者認(rèn)為，核聚變注定無(wú)法實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在核聚變實(shí)驗(yàn)消耗的電力仍然多于產(chǎn)生的電力。
但科斯塔迪諾娃和奧爾洛夫?qū)@些反應(yīng)堆內(nèi)的等離子體更感興趣，他們意識(shí)到這可能是模擬宇宙飛船進(jìn)入木星大氣層的完美環(huán)境。奧爾洛夫?qū)W的是航空航天工程，目前在美國(guó)能源部位于圣地亞哥的 DIII-D 聚變反應(yīng)堆工作。
兩人合作利用 DIII-D 設(shè)備進(jìn)行了一系列消融實(shí)驗(yàn)。他們利用托卡馬克設(shè)備底部的一個(gè)端口，將一系列碳棒插入等離子體流中，并使用高速紅外攝像機(jī)以及光譜儀來(lái)跟蹤它們是如何分解的。奧爾洛夫和科斯塔迪諾娃還向反應(yīng)堆高速發(fā)射微型碳質(zhì)球，模擬伽利略號(hào)探測(cè)器在木星大氣層中可能遇到的小范圍熱屏蔽。
托卡馬克內(nèi)部條件在等離子體溫度、等離子體在物質(zhì)表面流過(guò)的速度，甚至等離子體的具體組成方面都非常相似：木星大氣的主要成分是氫和氦，DIII-D 聚變反應(yīng)堆所使用的是氫的一種同位素氘。奧爾洛夫說(shuō)：“我們不需要高速度發(fā)射物體，而是將一個(gè)靜止物體放入速度非常快的流體中。”
這些實(shí)驗(yàn)在本月舉行的美國(guó)物理學(xué)會(huì) (American Physical Society)會(huì)議上公布，有助于驗(yàn)證 NASA 科學(xué)家利用伽利略號(hào)木星探測(cè)器數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的消融模型，也可以作為新型材料測(cè)試的概念驗(yàn)證。“我們正在開(kāi)拓新的研究領(lǐng)域，”奧爾洛夫說(shuō)。“以前沒(méi)有人這樣做過(guò)。”
“這是這個(gè)行業(yè)非常需要的東西。新材料測(cè)試程序往往滯后，”為宇宙飛船制造輻射屏蔽罩的初創(chuàng)公司 Cosmic Shielding 創(chuàng)始人雅尼?巴格蒂(Yanni Barghouty)說(shuō)。“它可以讓你更快、更便宜第開(kāi)發(fā)原型，這是一個(gè)反饋體系。”
核聚變反應(yīng)堆是否能成為實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn)場(chǎng)還有待觀察。畢竟這些核聚變裝置完全是為另一個(gè)目的而設(shè)計(jì)的極其敏感設(shè)備。奧爾洛夫和科斯塔迪諾娃的研究利用托卡馬克內(nèi)置的端口來(lái)安全測(cè)試新材料，是諸多利用反應(yīng)堆擴(kuò)大科學(xué)知識(shí)的一部分，但成本高昂。他們?cè)跈C(jī)器上的一天實(shí)驗(yàn)就花費(fèi)了 50 萬(wàn)美元(約 319 萬(wàn)元人民幣)。因此，這類實(shí)驗(yàn)只是為調(diào)整和改進(jìn)計(jì)算機(jī)模型，未來(lái)也不會(huì)頻繁進(jìn)行。
通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，奧爾洛夫和科斯塔迪諾娃希望能夠改進(jìn)消融模型，并用于改進(jìn)未來(lái)航天任務(wù)中的隔熱罩設(shè)計(jì)。NASA 計(jì)劃于本世紀(jì)末升空的金星探測(cè)任務(wù) DAVINCI + 可能是第一個(gè)能用上改進(jìn)設(shè)計(jì)的深空探測(cè)任務(wù)。DAVINCI + 由一個(gè)軌道器和一個(gè)下降探測(cè)器組成，當(dāng)探測(cè)器穿過(guò)金星炎熱厚重的大氣層時(shí)，需要強(qiáng)大的屏蔽裝置。伽利略號(hào)探測(cè)器帶給科學(xué)家很多關(guān)于太陽(yáng)系如何形成的知識(shí)，但如果有更好的隔熱罩，還可以探測(cè)到更多信息。科斯塔迪諾娃說(shuō)：“一半的有效載荷燒掉了。”“限制了真正能裝進(jìn)去的科學(xué)儀器數(shù)量。”
這項(xiàng)新研究不僅可以用于測(cè)試碳化硅等新隔熱材料，也有助于優(yōu)化聚變反應(yīng)堆本身的設(shè)計(jì)。到目前為止，大多數(shù)研究都集中在托卡馬克內(nèi)部的核心等離子體反應(yīng)上。但是，隨著核聚變逐漸走向商業(yè)化，人們需要更多關(guān)注反應(yīng)堆的建設(shè)和材料設(shè)計(jì)，有效控制核聚變反應(yīng)并確保出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)安全耗散能量。
科斯塔迪諾娃和奧爾洛夫呼吁核聚變和太空研究機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行更多的合作，這兩個(gè)團(tuán)體都對(duì)理解等離子體反應(yīng)和開(kāi)發(fā)能抵御等離子體侵蝕的物質(zhì)有濃厚興趣。科斯塔迪諾娃說(shuō)：“未來(lái)方向是制造更好的材料和開(kāi)發(fā)新材料。”
