11月16日消息，目前世界上的核聚變反應堆都處於試驗階段。最近研究人員利用聚變反應堆內部的高溫和等離子體來模擬木星大氣環境，從而測試用於宇宙飛船上的隔熱罩。1995年12月7日，美國國家航空航天局（NASA）一艘探測器進入木星大氣層，並立即開始燃燒。
這艘探測器是從6個月前開始繞軌道運行的伽利略號木星探測任務而來，深入木星的目標是對這顆太陽系最大行星周圍的氫和氦進行取樣。
這艘名為“木星大氣探測器”(Jupiter Atmospheric Probe)的航天器經過精心設計，外殼能夠承受與木星空氣接觸摩擦時不斷飆升的高溫。其有一個巨大的碳材質隔熱層，約佔探測器總重量的50%，設計目的是在探測器下降過程中通過不斷磨損來散熱。科學家曾在地球上仔細模擬過這個被稱為消融的受控過程，NASA甚至為此建設了一個名為巨行星設施的特殊測試實驗室。
但是，當探測器以每小時近20萬公里的速度穿過木星大氣層時，摩擦將其周圍的空氣加熱到1.5萬攝氏度。在這種高溫下，原子分裂成帶電粒子，併產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象都源自等離子體，太陽本身也是一個巨大的等離子體。其常常被稱為物質的第四種狀態，但實際上是第一種狀態。在宇宙大爆炸后的瞬間，等離子體是唯一存在的物質。
等離子體吞噬木星探測器隔熱罩的速度比NASA所預料的要快得多。NASA工程師分析了嵌在隔熱罩上的傳感器數據后，他們意識到自己精心設計的模型偏離了目標。某些區域隔熱罩的分解速度要快得多，而某些部分要慢。探測器能幸免於難的唯一原因是，工程師們在設計中加厚了隔熱罩，為誤差留出一定餘地。“這個問題仍懸而未決，”奧本大學等離子體專家伊娃·科斯塔迪諾娃（Eva Kostadinova）說。“但如果你想設計新的任務，你必須能夠正確模擬正在發生的東西。”
伽利略號木星探測任務結束后，科學家們利用探測器數據對消融模型進行了調整，但仍然面臨一個大問題：要精確再現高速進入木星稠密大氣的條件非常困難，因此很難對這些模型進行準確測試。這也為製造比目前所用碳基材料更輕更好的新隔熱材料帶來障礙。如果不能對新材料進行測試，就很難確定它們會在價值幾十億美元的宇宙飛船上起效。
往常的測試使用激光、等離子射流和高速射彈來模擬探測器進入大氣層時的熱量，但沒有一個是完全正確的。科斯塔迪諾娃說：“地球上沒有哪個航天設施能達到進入像木星大氣層時所經歷的那種高溫條件。”
現在，科斯塔迪諾娃和來自加州大學聖地亞哥分校的迪米特里·奧爾洛夫（Dimitri Orlov）進行了一項新研究，展示用實驗性核聚變反應堆內部的炙熱高溫測試航天器的隔熱材料。
在世界各地資助的研究設施中，有幾百個名為托卡馬克的受控核聚變反應堆，其中包括位於英國的聯合歐洲環形反應堆(Joint European Torus），以及位於法國南部的國際熱核實驗反應堆(ITER）。幾十年來，研究人員一直在用它們來研究如何用核聚變提供實質上無限的能量。在托卡馬克內部，高壓下的強磁鐵用於約束高速旋轉的等離子體，使其達到原子聚變和釋放能量所需的數千萬度高溫。一些批評者認為，核聚變註定無法實現，現在核聚變實驗消耗的電力仍然多於產生的電力。
但科斯塔迪諾娃和奧爾洛夫對這些反應堆內的等離子體更感興趣，他們意識到這可能是模擬宇宙飛船進入木星大氣層的完美環境。奧爾洛夫學的是航空航天工程，目前在美國能源部位於聖地亞哥的DIII-D聚變反應堆工作。
兩人合作利用DIII-D設備進行了一系列消融實驗。他們利用托卡馬克設備底部的一個端口，將一系列碳棒插入等離子體流中，並使用高速紅外攝像機以及光譜儀來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堆高速發射微型碳質球，模擬伽利略號探測器在木星大氣層中可能遇到的小範圍熱屏蔽。
托卡馬克內部條件在等離子體溫度、等離子體在物質表面流過的速度，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聚變反應堆所使用的是氫的一種同位素氘。奧爾洛夫說：“我們不需要高速度發射物體，而是將一個靜止物體放入速度非常快的流體中。”
這些實驗在本月舉行的美國物理學會(American Physical Society）會議上公布，有助於驗證NASA科學家利用伽利略號木星探測器數據開發的消融模型，也可以作為新型材料測試的概念驗證。“我們正在開拓新的研究領域，”奧爾洛夫說。“以前沒有人這樣做過。”
“這是這個行業非常需要的東西。新材料測試程序往往滯后，”為宇宙飛船製造輻射屏蔽罩的初創公司Cosmic Shielding創始人雅尼·巴格蒂（Yanni Barghouty）說。“它可以讓你更快、更便宜第開發原型，這是一個反饋體系。”
核聚變反應堆是否能成為實際應用的試驗場還有待觀察。畢竟這些核聚變裝置完全是為另一個目的而設計的極其敏感設備。奧爾洛夫和科斯塔迪諾娃的研究利用托卡馬克內置的端口來安全測試新材料，是諸多利用反應堆擴大科學知識的一部分，但成本高昂。他們在機器上的一天實驗就花費了50萬美元。因此，這類實驗只是為調整和改進計算機模型，未來也不會頻繁進行。
通過進一步的實驗，奧爾洛夫和科斯塔迪諾娃希望能夠改進消融模型，並用於改進未來航天任務中的隔熱罩設計。NASA計劃於本世紀末升空的金星探測任務DAVINCI+可能是第一個能用上改進設計的深空探測任務。DAVINCI+由一個軌道器和一個下降探測器組成，當探測器穿過金星炎熱厚重的大氣層時，需要強大的屏蔽裝置。伽利略號探測器帶給科學家很多關於太陽系如何形成的知識，但如果有更好的隔熱罩，還可以探測到更多信息。科斯塔迪諾娃說：“一半的有效載荷燒掉了。”“限制了真正能裝進去的科學儀器數量。”
這項新研究不僅可以用於測試碳化硅等新隔熱材料，也有助於優化聚變反應堆本身的設計。到目前為止，大多數研究都集中在托卡馬克內部的核心等離子體反應上。但是，隨着核聚變逐漸走向商業化，人們需要更多關注反應堆的建設和材料設計，有效控制核聚變反應並確保出現問題時安全耗散能量。
科斯塔迪諾娃和奧爾洛夫呼籲核聚變和太空研究機構之間進行更多的合作，這兩個團體都對理解等離子體反應和開發能抵禦等離子體侵蝕的物質有濃厚興趣。科斯塔迪諾娃說：“未來方向是製造更好的材料和開發新材料。”（辰辰）