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不可思议的FOAM:捕捉太空物质(连载之四)

后来气凝胶东山再起,不是因为找到了商业用途,而是它的特殊性质引来欧洲核子研究中心物理学家的注意。

他们当时正在研究所谓的切连利夫辐射,也就是亚原子粒子以超光速穿透物质时发出的辐射。侦测和分析切连科夫辐射,可以了解粒子性质,并提供科学家一种新颖的方法来辨识粒子的种类。气凝胶非常透合作为粒子穿透用的物质,因为它可以说是固态的气体。

直到现在,气凝胶依然是物理学家破解次原子世界谜团的绝佳帮手。而气凝胶一旦成功踏进物理学家的实验室,有了这些复杂仪器、远大目标和大笔经费支撑,名声也就再度水涨船高。

20世纪80年代初期,气凝胶非常昂贵,只有资金充裕的实验室才用得起。欧洲粒子物理研究中心是其中之一,美国国家航空航天局则紧跟其后。二氧化硅气凝胶在太空探测上的初试啼声之作,是隔离仪器不受极高温的破坏。气凝胶特别适合这类任务,不仅因为它是世界上最好的绝热体,还因为它非常轻盈。为了让宇宙飞船摆脱地球重力进入太空,减轻零件和设备重量非常关键。

1997年,气凝胶首次使用在火星探路者号上,从此便成为宇宙飞船的标准绝热材料。不过,美国国家航空航天局的科学家一旦发现气凝胶能耐受太空飞行,就想到它还有另一个用途。

若你在晴朗的晚上仰望夜空,偶尔会见到流星一闪划过天际。人类很早就知道流星是因高速穿越地球大气层而受热烁亮的陨石,这些陨石主要来自彗星、小行星和太阳系45亿年前形成时所残留的太空尘。

人类数百年来一直努力辨识这些天体的构成元素,因为这类常识有助于大家理解太阳系如何形成,基至能说明地球的化学组成。分析陨石的组成元素确实能看出一些有意思的线索,问题是这些成分通过地球大气层时都经过了高温燃烧。因此,美国国家航空航天局的科学家就想,要是能到外太空采集这些物质,再原封不动带回地球,那不是更好?

这个构想的第一个难题是太空中的物体往往移动迅速,例如太空尘一般速度为每秒5公里,相当于时速1.8万公里,比子弹还要快得多,采集起来并不简单。用肉身抵挡子弹时,若子弹的力道超过皮肤的破坏压力,子弹就会贯穿皮肤。若是穿了高破坏强度材质(如凯夫拉纤维)做成的防弹背心,子弹就会遭压扁变形。无论如何,上述两种方法都很危险,不过原则上是可行的,就像“徒手”接板球或棒球一样。关键在于分散球的能量,避免单点的高压撞击。

因此,美国国家航空航天局需要找到一个方法或一样东西,能让太空尘从时速1.8万公里减速为0,又不会损及太空尘或太空船。这东西必须密度极低,让太空尘粒子可以缓缓减速不会受损,但又要在几厘米的距离内就做到,而且最好是透明的,方便科学家找到射入的太空尘。

如果这世上真有这种东西就已经够神奇,没想到美国国家航空航天局还早就用在太空飞行上了。不用说,这东西就是气凝胶。

气凝胶捕捉太空尘的力学原理,其实跟特技演员跳楼一样——演员坠落在堆成小山的纸箱上,每个纸箱被压垮时都吸取掉了部分冲力,因此纸箱越多越好。同理,气凝胶里的每个“泡泡”遭太空尘粒子撞击时,都会吸取掉一点点能量,但由于每立方厘米内都有数十亿个泡泡,因此气凝胶足以完好无缺地拦阻住太空尘。

依据气凝胶的特性,美国国家航空航天局规划了一整套太空任务,让宇宙飞船在太空中轻柔地采集太空尘。

1999年2月7日,星尘号宇宙飞船发射升空,船上装载了穿越太阳系所需的装置,并且设定飞向威德二号彗星。美国国家航空航天局除了希翼采集外太空的星际尘埃,也打算搜集彗星释出的尘埃,以便研究星体和彗星的构成元素。为了完成任务,他们设计了一个很像巨型网球拍的工具,只是丝线之间不是空洞,而是涂满了气凝胶。

(未完待续)

本文摘自《迷人的材料》,该书编辑为马克·米奥多尼克 (Mark Miodownik),译者为赖盈满。

马克·米奥多尼克为伦敦大学学院材料科学教授,英国皇家工程学会学士,曾入选《泰晤士报》评选的“英国百大影响力科学家”。

马克·米奥多尼克教授乐于为大众讲解材料科学,且广受欢迎,曾担任多部纪录片的主持人,包括英国广播企业(BBC)第二台制作的《发明的天才》。

《迷人的材料》一书,讲述了10种改变世界的神奇物质和它们背后的故事,该书曾获得2014英国皇家学会科学图书奖、亚马孙2014年科学类选书和《物理世界》2014年推荐最佳科普书。

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