美国空军"冷冻射线"技术背后的科学原理

你知道《蝙蝠侠》中的大反派冰冻先生用来"冰冻"敌人的冷冻射线枪吗？弗吉尼亚大学的一位教授认为，他可能已经知道如何在现实生活中制造一把这样的枪了。这一发现令人惊讶地基于发热等离子体--并非用于武器。机械与航空航天工程教授帕特里克-霍普金斯（Patrick Hopkins）希望为航天器和高空喷气式飞机内部的电子设备制造按需表面冷却装置。

霍普金斯说："这是目前的主要问题。"飞船上的很多电子设备都会发热，但它们却没有办法冷却下来。"

美国空军非常看好冷冻射线的前景，因此在三年内向霍普金斯教授的 ExSiTE 实验室（热工程实验与模拟）拨款 75 万美元，用于研究如何最大限度地利用这项技术。此后，该实验室将与霍普金斯大学的衍生公司激光热能公司合作，制造原型设备。

这位教授解释说，在地球上--或者在更接近地球的空中--军用飞行器中的电子设备通常可以通过自然冷却。例如，海军使用海水作为液体冷却系统的一部分。而在离地面较近的地方，空气密度足以帮助保持飞机部件的冷却。

博士生萨拉-马卡里姆-霍塞尼和丹尼尔-赫特在观察等离子射线装置。虽然赫特戴着针织帽，穿着蓬松的外套，但冷却是局部的，对周围的室温影响不大。图片来源：汤姆-科吉尔

太空挑战

然而，"对于空军和太空部队来说，你在太空中，那里是真空的，或者你在高层大气中，那里只有很少的空气可以降温，"他说："因此，电子设备的温度会越来越高。而你又不能携带有效载荷的冷却剂，因为这会增加重量，降低效率。"

霍普金斯相信，他正朝着轻量级解决方案的方向前进。他和合作者最近在《ACS Nano》杂志上发表了一篇综述文章，介绍了这一技术和其他技术的前景。

等离子体： 物质的第四种状态

我们日常接触的物质有三种状态：固态、液态和气态。但还有第四种状态：等离子体。虽然对地球上的我们来说，等离子体似乎相对罕见，但它却是宇宙中最常见的物质形式。事实上，恒星就是由它构成的。

霍普金斯说，当气体通电时就会产生等离子体。气体的类型和其他条件不同，等离子体的特性也不同。但所有等离子体的共同点是最初的化学反应，这种反应会使电子脱离核轨道，并释放出光子、离子和电子等高能物质流。例如，我们可以从闪电的突然闪现或霓虹灯的温暖光芒中看到令人瞠目结舌的结果。

虽然等离子屏幕电视曾经风靡一时，后来又被淘汰，但不要被它所迷惑。等离子在科技领域的应用越来越广泛。许多空军最快速的喷气式飞机的发动机就已经使用了等离子体。等离子体可以帮助燃烧，提高速度和效率。

本例中的等离子体喷流由氦气制成，能产生紫色光晕。实验室还将对其他气体进行实验，以确定哪种气体最适合用于冷却。资料来源：汤姆-科吉尔

等离子体在飞船内部的潜力

不过，霍普金斯描绘了等离子体在飞船内部的应用。空气和太空电子设备的典型解决方案是使用"冷板"，将电子设备的热量传导给散热器，再由散热器释放出来。然而，对于先进的电子设备来说，这可能并不总是足够的。

霍普金斯认为，修改后的设置可能类似于一个机械臂，它可以根据温度变化进行移动，并配有一个短小的近距离电极，可以对热点进行电击。这种等离子体射流就像激光束，就像闪电。它可以非常局部化。

事实：等离子体的温度可以达到太阳表面的温度。但它似乎也有一个奇怪的特性--似乎违反了热力学第二定律。当等离子体撞击表面时，它实际上是先冷却后加热。

霍普金斯和他的合作者、美国海军研究实验室的斯科特-沃尔顿在几年前，也就是大流行病肆虐之前，发现了这一意想不到的现象，他定制的微型仪器可以记录细微的热量变化。

在实验中，他们将氦气产生的紫色等离子体射流穿过一根用陶瓷包裹的空心针。目标是一个镀金表面。研究人员选择金是因为它是惰性的，而且他们希望尽可能避免聚焦光束对表面的蚀刻，因为这可能会影响实验结果。

霍普金斯说："因此，当我们开启等离子体时，我们可以立即测量等离子体照射到的地方的温度，然后观察表面的变化。我们看到表面先冷却，然后再升温。我们可以立即测量等离子体撞击到的地方的温度，然后我们可以看到表面如何变化，我们看到表面先冷却，然后又升温。我们没有任何信息可以利用，因为之前没有任何文献能够像我们这样精确地测量温度变化。没有人能够如此迅速地做到这一点。"

通过与当时的弗吉尼亚大学博士研究员约翰-托姆科（John Tomko）的合作，以及与海军实验室的持续测试，他们最终确定，表面冷却一定是由于爆破了由碳和水分子组成的超薄、难以察觉的表层。当我们游泳后皮肤上的凉水蒸发时，也会发生类似的过程。

教授说："身体上的水分子蒸发需要能量；它从身体中获取能量，这就是为什么你会感觉冷。在这种情况下，等离子体撕开被吸收的物种，能量被释放出来，这就是冷却的原因"。

霍普金斯大学的显微镜通过一种叫做"时间分辨光学测温"的过程工作，测量一种叫做"热反射"的概念。

基本上，当表面材料较热时，它对光线的反射与较冷时不同。之所以需要专门的瞄准镜，是因为等离子体会遮住任何直接接触的温度计。

那么冷到底有多冷？他们确定，他们能够将温度降低几度，而且时间只有几微秒。虽然这看起来并不夸张，但足以对某些电子设备产生影响。

大流行延迟后，霍普金斯及其合作者在去年的《自然-通讯》上发表了他们的初步研究成果。

然后问题就来了： 他们能否让反应更冷、持续时间更长？

改进冷冻射线

之前，弗吉尼亚大学实验室使用的是海军借来的设备--它非常轻便安全，经常用于学校的演示--现在，由于空军的资助，弗吉尼亚大学实验室拥有了自己的设备。

研究小组正在研究如何对原始设计进行改进。博士候选人萨拉-马卡里姆-霍西尼（Sara Makarem Hoseini）和丹尼尔-赫特（Daniel Hirt）正在考虑等离子体可以针对的气体、金属和表面涂层。

赫特提供了实验室的最新情况。他说："我们还没有真正探索过不同气体的使用，因为我们仍在使用氦气。到目前为止，我们已经用不同的金属（如金、铜）和半导体进行了实验，每种材料都有自己的用途，可以研究等离子体如何与它们的不同特性相互作用。由于等离子体是由各种不同的粒子组成的，改变所使用的气体类型将使我们能够看到这些粒子中的每一种粒子是如何影响材料特性的"。

赫特说，与霍普金斯大学合作开展具有如此重大影响的项目，重新唤起了他对研究的兴趣，这在很大程度上要归功于教授营造的支持性实验室环境。