用于未來太空船的智能材料
為了進(jìn)行星際探險(xiǎn)，所建造的太空飛船必須具備更加快速、輕便、便宜、可靠、耐用和萬能等優(yōu)點(diǎn)。
建造這種飛船可能嗎？很多人會(huì)提出這樣的問題。在你回答這個(gè)問題之前，可以回顧一下歷史。在200年前，如果一個(gè)人向一個(gè)農(nóng)場(chǎng)主提出要購(gòu)買一輛馬車，這輛馬車不僅能夠連續(xù)跑幾小時(shí)，每小時(shí)的速度可達(dá)100英里，而且還能運(yùn)載他們?nèi)液退械男欣?，在煩悶的旅途中為他們唱美妙的歌曲。你可以想象這個(gè)農(nóng)場(chǎng)主會(huì)怎樣驚訝！他的表情可能與你向汽車推銷員提出要求時(shí)一樣?？墒牵裉爝@個(gè)夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)了，它就是現(xiàn)在的“小貨車”。技術(shù)上的變革，使小汽車代替了馬，過去認(rèn)為不可能的事，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了。因此今天看上去不可能的事情，在未來也許變得很平常。不久的將來，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，那種又快、又好、又便宜的太空交通工具是可能出現(xiàn)的。
圖1 這是未來先進(jìn)的航天飛機(jī)，先進(jìn)的材料是建造這些航天飛機(jī)的基礎(chǔ)。
當(dāng)前發(fā)展最快的三項(xiàng)科學(xué)是生物工程、納米技術(shù)和信息技術(shù)，它們?yōu)榭茖W(xué)家的研究和新產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了無限的創(chuàng)造力。在這個(gè)充滿創(chuàng)造力的急流中，出現(xiàn)了一種令人驚訝的新型材料，它看上去好像更應(yīng)該出現(xiàn)在科幻小說中，而不是出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)上。
可以想象一下，如果有一些材料，它們的密度是鋼材的100倍，但重量只有鋼材的六分之一；它們被劃破后可以立刻自己愈合，并可以感受到施加在它們上面的壓力；用這些材料生產(chǎn)的電線和電路只有分子大小。如果能夠生產(chǎn)出這樣一些材料，那該有多好呀！其實(shí)現(xiàn)在在我們的生活中已經(jīng)可以找到具有上述特性的材料，更多的新材料還在研制中。例如，采用納米技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)能夠制造重量小于1kg的衛(wèi)星，如蚊蠅大小的偵察機(jī)。
由于已經(jīng)開發(fā)出這樣高智能的材料，建造性能更好的太空船似乎是指日可待了。
重量等于金錢
要建造下一代航天飛機(jī)將面臨很多挑戰(zhàn)，當(dāng)然最重要的問題是飛機(jī)的成本?，F(xiàn)在的航天飛機(jī)雖然與飛船相比，有一些優(yōu)點(diǎn)，但是發(fā)射一次的成本還是很高的，它不符合日益發(fā)展的太空探險(xiǎn)的要求。研制的時(shí)間也是問題之一，正如美國(guó)宇航局第二個(gè)十年計(jì)劃航天技術(shù)改造負(fù)責(zé)人奈維爾·馬滋維爾博士所說：“即使所有的技術(shù)難題今天都已經(jīng)解決，探索太陽系變成現(xiàn)實(shí)還需要一個(gè)過程。”
要降低太空飛行的成本，最主要是降低太空船重量。航天器多重一磅，就需要更大的動(dòng)力將這一磅的重量推離地球引力，其代價(jià)是很大的。輕型太空船可以有更小，更有效的發(fā)動(dòng)機(jī)，消耗的燃料更少。也就是說，減少飛船的重量，可以降低發(fā)射的成本，使它有更大的發(fā)展余地。因此，在研制太空船時(shí)，當(dāng)太空船的安全性、可靠性和功能提高時(shí)，我們面臨的挑戰(zhàn)是如何降低太空船的重量。要做到這一點(diǎn)，僅僅靠減少飛船中的零件是不起作用的。
圖2：這個(gè)滿載的土星5號(hào)月球火箭重620萬磅，因此發(fā)射它的經(jīng)費(fèi)也非常高。
科學(xué)家們正在探索一種新的技術(shù)，它可以使航天飛機(jī)變得更加“苗條”。例如有一種像蛛絲一樣的材料（是一種超薄的薄膜），可能用于制作天線或光電線路板，以取代現(xiàn)在正在使用的大而重的部件，甚至可以用于建造提供飛船能量的太陽能帆板，使它每平米只有4-6克重。
一些合成材料，例如像用于碳化纖維網(wǎng)火箭和高爾夫球棒的合成材料，目前已經(jīng)在保證安全性的條件下，廣泛用于宇宙飛船的設(shè)計(jì)，它可降低飛船重量，但不降低其強(qiáng)度。一種被稱為“碳納米管”的新型碳材料發(fā)展很快，最好的合成材料的強(qiáng)度僅是鋼材的3到4倍，而碳納米管則是鋼材的600倍。
蘭利研究中心（美國(guó)著名的結(jié)構(gòu)和材料研究中心）的主任、科學(xué)家丹尼斯·布希納爾解釋說：“這個(gè)不同尋常的強(qiáng)度來自碳納米管的分子結(jié)構(gòu)，它們看上去有點(diǎn)像雞肉卷進(jìn)了一個(gè)四周是碳原子的六角型圓柱”。典型的碳納米管大約有1.2-1.4納米（1納米只有一米的十億分之一），僅是碳原子半徑的十倍。
圖3: 在一個(gè)碳納米管中，碳原子的格子像一個(gè)懸掛著的釘板。其他的原子和分子賦予納米管特殊的化學(xué)、電子或熱特性。
圖4.碳納米管的可拉長(zhǎng)強(qiáng)度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他高強(qiáng)度的材料。四個(gè)圖柱（由左到右）分別代表碳納米管，石墨纖維，芳香尼龍纖維B和不銹鋼。注意垂直軸是它們的強(qiáng)度。圖中的每一增量是10的乘方。
1991年納米管才被發(fā)現(xiàn)，隨后就引起科學(xué)界的極大興趣，紛紛對(duì)它進(jìn)行研制和應(yīng)用。就在兩三年以前，制成的最大納米管大約是1微米?，F(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)能夠生產(chǎn)出2億納米長(zhǎng)（20厘米）的納米管。布希納爾說目前在世界各地至少有56個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在大量生產(chǎn)這些小電子管。
布希納爾說“由于技術(shù)上已經(jīng)取得巨大發(fā)展，所以大量使用納米管作為材料將成為可能。我們沒有搞清楚在一批材料中，這個(gè)是鋼材強(qiáng)度600倍的材料將值多少錢。無論如何，納米管是我們最大的籌碼。”
美國(guó)宇航局第二個(gè)十年計(jì)劃航天技術(shù)改造負(fù)責(zé)人馬滋微爾解釋說“我們通常建造的是一些呆板、缺乏生氣的東西，例如傳感器、處理器和工具?，F(xiàn)在我們不需要這些東西，我們需要的是具有完整結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，它本身具有智能部分。”
設(shè)想一下如果一個(gè)太空船自己有貯存能量的能力，不需要笨重的電池；或者它的表面不需要另加作用力就可以自動(dòng)彎曲；或者電路可以直接接到航天飛機(jī)內(nèi)部。當(dāng)太空船使用的材料可以按照分子等級(jí)來設(shè)計(jì)時(shí)，就可能實(shí)現(xiàn)上述的整體結(jié)構(gòu)。
太空船的外殼
人可以感受到他們身體任何部位的刺激，甚至最輕微的刺痛也可以引起人體的反應(yīng)。這是一種令人驚奇的自我監(jiān)控系統(tǒng)——可能是因?yàn)槟愕募∧w里有數(shù)百萬的、用顯微鏡才能觀察到的神經(jīng)末梢，它們能將這些信號(hào)傳遞給大腦。
同樣的，制造太空船應(yīng)急系統(tǒng)的材料里，也可以裝入納米大小的傳感器，這些傳感器持續(xù)不斷地監(jiān)視材料的狀況。如果某個(gè)部件出現(xiàn)故障——也就是它感覺到不妙時(shí)，這些傳感器就會(huì)在事故發(fā)生前通知中央電腦。
圖5：這個(gè)由美國(guó)宇航局蘭利研究中心研制的壓電材料，它可以“感覺”到材料的變形，例如，在它彎曲或承受表面壓力時(shí)，它就有反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)微弱的電壓，作為一個(gè)信號(hào)傳給中央電腦。
分子電線可以將所有這些內(nèi)部傳感器傳出的信號(hào)發(fā)送到中央電腦，而不需要使用數(shù)百萬條電線來傳遞信號(hào)。納米管可以擔(dān)當(dāng)這個(gè)角色，納米管可以很方便的處于主導(dǎo)地位或是半主導(dǎo)地位，這取決于它們的構(gòu)成?？茖W(xué)家們已經(jīng)研制出其他的可伸長(zhǎng)的分子電線，它們中的一部分自然而然的組裝成有用的結(jié)構(gòu)。
人的皮膚可以自行愈合，有些性能先進(jìn)的材料也可以做到這一點(diǎn)。能自行愈合的材料由被稱為“離聚物”的長(zhǎng)鏈分子構(gòu)成，當(dāng)像子彈這樣的物體靠近它時(shí)，它就會(huì)有反應(yīng)。太空船可以采用這樣的“皮膚”，因?yàn)樘罩械教幎际菑腻缧呛托⌒行前l(fā)出的快速移動(dòng)的像小子彈一樣的碎片。一旦這些鵝卵石大小沙礫中的一個(gè)擊穿太空船的盔甲，太空船就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。如果太空船的盔甲上有一層能夠自己愈合的材料，就可以保證船艙萬無一失。
流星體不是唯一的威脅，太空中還充滿了輻射。在低地球軌道上運(yùn)行的飛行器，受到地球磁場(chǎng)充分的保護(hù)，這個(gè)磁場(chǎng)形成以地球?yàn)橹行?0，000公里寬的安全帶。但是，如果飛船飛行的高度超過這個(gè)范圍，太陽光和宇宙射線對(duì)太空旅行者就會(huì)構(gòu)成威脅。
圖6：一個(gè)太陽耀斑的電能輻射進(jìn)入太空。
科學(xué)家們依然在尋找一個(gè)更好的解決辦法，訣竅是在不增加過多太空船重量的情況下提供足夠的保護(hù)。一些輕型防輻射材料正在國(guó)際太空站所做的被稱為“MISSE”的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試，但這些仍然不夠。
真正可怕的是遙遠(yuǎn)超新星爆炸所放射出的銀河系宇宙射線，它的組成成分中有一部分是很重的正離子，如鐵核子，它的運(yùn)行速度非?？臁＿@個(gè)高質(zhì)量和高速運(yùn)動(dòng)的正離子，使那些小原子“加農(nóng)炮彈”具有很大的破壞力。當(dāng)它們穿透人體的細(xì)胞，就能夠破壞DNA，導(dǎo)致疾病甚至是癌癥。
布希納爾說“事實(shí)證明最不適合作為抵御銀河系宇宙射線的防護(hù)材料是金屬。但當(dāng)一個(gè)銀河系宇宙射線擊中一個(gè)金屬原子時(shí)，它就能擊碎它的原子核——這個(gè)過程和發(fā)生核裂變相類似。這些碰撞產(chǎn)生的第二波射線，它的危害作用可能比金屬的保護(hù)作用還大。
具有諷刺性的是，像氫和氦這樣重量輕的元素，反而是抵御可怕的銀河系宇宙射線的最好的武器，因?yàn)樗鼈冎g的碰撞產(chǎn)生的第二次輻射作用很小。有的人建議在太空船的居住艙四周包一層罐裝液態(tài)氫。根據(jù)布希納爾的說法，一層50-100厘米厚的液態(tài)氫將提供足夠的防護(hù)。但是裝液體氫的罐和維持其低溫的系統(tǒng)卻很笨重。如果使用納米管可能比較合適。一格的碳納米管在溫度不是非常低的情況下就能貯藏高濃度的液態(tài)氫。所以如果我們未來的太空船采用納米管作為超輕型構(gòu)造材料的話，是否這些裝滿液態(tài)氫的管道就能起到屏蔽射線的作用？科學(xué)家們認(rèn)為是可能的。更進(jìn)一步講，多層的這種結(jié)構(gòu)材料可以有效地過濾其他種類的射線：例如，硼和鋰可以過濾中子，鋁吸收電子等。
圖7：當(dāng)高能量的宇宙射線闖入航天員的DNA中，它能破壞DNA導(dǎo)致癌癥或其它放射性疾病。
在宇宙中野營(yíng)
地球表面能最有效地防御宇宙射線，其他星球就沒有那么幸運(yùn)了。例如，火星就沒有很強(qiáng)的球形磁場(chǎng)使射線粒子偏轉(zhuǎn)，并且它的大氣層厚度僅是地球的一百四十分之一，這兩點(diǎn)不同使到達(dá)火星表面的射線強(qiáng)度相當(dāng)于沒有保護(hù)設(shè)備的飛船在太空所受到的輻射的三分之一，未來的火星探測(cè)器需要有防輻射的保護(hù)層。
圖8：航天員在火星上安營(yíng)扎寨時(shí)需要有防止宇宙輻射的設(shè)施。
在美國(guó)蘭利研究中心專門從事防輻射研究的科學(xué)家Sheila Thibeault說：“由于我們必須考慮重量問題，故長(zhǎng)時(shí)間太空飛行不允許帶上太多的材料。所以我們現(xiàn)在正在進(jìn)行如何在所到達(dá)的星球上制造防輻射保護(hù)層的研究。”
Thibeault解釋說，“一種有可能的解決方法是‘太空磚’，航天員可以選取火星上可以利用的材料來制造防護(hù)屏。”例如他們可能將紅色星球表面豐富的二氧化碳和水聚合成沙礫狀的風(fēng)化層，鋪在火星表面。用微波沖擊這些混合物，可以制成塑料樣的磚形物，它的防輻射性能是防輻射屏蔽的兩倍。
她解釋說，“使用微波，我們能夠在幾乎不消耗能量或使用設(shè)備的情況下迅速制造這些‘磚頭’。我們使用的這種聚合體將增強(qiáng)風(fēng)化層的防輻射特性。”
火星的掩敝處需要有可靠的自感材料，耐用的自修復(fù)材料和多功能的輕型材料。換句話講，在火星上建造房屋和建造功能良好的太空船在很多方面是相同的，研究人員正在研究所有這些材料。（國(guó)家航天局網(wǎng)/唐承革 沈羨云譯）
圖9:采用智能材料，未來的飛機(jī)將無須操作機(jī)翼就能自動(dòng)拐彎，這樣就減少拉力和降低油耗。
