许多太空技术有如科幻小说中天马行空的点子，但却有实现的可能性，美国太空总署的 NIAC 计划近期将大举投资 18 项潜在太空技术研究，比如一种开采月球极地大量冰且具经济效益的新方法、或者可以自我修补的太空服等。
NASA 的 NIAC（NASA Innovative Advanced Concepts）计划旨在培养具有远见的太空技术，不管你的想法有多大胆，仿佛只存在于科幻小说，只要概念可靠、可行、有改变未来太空探索的可能性，就有机会获得 NIAC 投资。
NIAC 计划又按照提案、第一阶段、第二阶段和第三阶段循序渐进。每年会有提案截止日，参加者向 NASA 提交研究提案，然后等候第一阶段入围公告。如果提案通过并进入第一阶段，就可以获得 12.5 万美元奖金并展开为期 9 个月的基础研究，以构建整体计划可行性与提高技术就绪指数（Technology Readiness Level，TRL，注）为目标。
第一阶段团队如果再通过征选，可以获得高达 50 万美元奖金并进入第二阶段，进行为期 2 年的开发研究，制定出更完善的技术路径图，但还不会全面推进 NASA 或进入商转。
而第三阶段目前还没展开过征选，因为 NIAC 计划底下的研究都还处于早期开发阶段，多数需要 10 年或更长时间才能趋于成熟，不过 NIAC 已准备在今年夏天公布第一个进入第三阶段的终极研究，有机会带来探索宇宙的重大技术突破。
本月，NASA 公布了今年入围第一阶段（12 个）与第二阶段（6 个）的 18 项创新研究，以下一一介绍。
第一阶段入围研究
- BREEZE 太空飞船
（Source：NASA）
BREEZE（Bioinspired Ray for Extreme Environments and Zonal Exploration）太空船，由纽约州立大学水牛城分校 Javid Bayandor 领导，是一种结合充气结构与仿生科技的高效飞行器，目标是探索金星大气，可以在离地约 60 公里处漂浮飞行。太空船采用太阳能电池供电，携带的仪器可能包括质谱仪、云量计（nephelometer）、可见光与近红外光高分辨率相机、磁量计（magnetometer）、风速计（anemometer）、以及测量大气压力 / 温度 / 密度的感测器。
除了金星，BREEZE 太空船也能应用其他大气密度够高的天体上，比如土卫六和地球；再看看它的外型，没错，研究人员就是受到了鱼鳍的启发设计出这架飞船，翘曲的机翼可提供推力、控制力、稳定力和额外升力。
- 金星地表长寿命功率传输系统
（Source：NASA）
金星地表长寿命功率传输系统（Power Beaming for Long Life Venus Surface Missions），由 NASA 喷射推进实验室（JPL）Erik Brandon 领导，目标是解决金星极端地表环境的地面型发电挑战。
功率传输还有另一个较亲民的通称，就是无线供电、无线电力传输（wireless energy transfer），若是辐射技术类别，则指能量借由定向能波束在介质（空气、水等）中传送，接收器接收后再转换回电能。
在金星地表长寿命功率传输系统中，发射器就像载浮载沉的高空气球飘在金星大气，以微波、射频（Radio frequency，RF）传输功率给地面上的接收器，能量经由整流天线转换为直流电后进入储能装置，有高温熔盐电池、固体电解质电池、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）等选择。
而这个高空气球除了有发射器外，还有太阳能电池板跟电池，如果没电了，就会上升到大气上方照太阳充电，等电池充满后再次降到金星大气下层，将能量传输到着陆器，如此不断重复。
- 智慧太空服 SmartSuit
（Source：NASA）
智能太空服 SmartSuit，具有自我修补和收集数据功能，能让太空人在极端环境中进行舱外活动，穿起来也会比目前的太空服还要舒适。
- 两用系外行星望远镜
（Source：NASA）
两用系外行星望远镜（Dual Use Exoplanet Telescope，DUET）可以同时以“间接方法（比如径向速度法、天体测量法）”和“直接方法”探测系外行星，后者是采用牛顿著名棱镜实验中的色散技术，让 DUET 分离出来自系外行星或母恒星的不同光波长，直接判定是否发现一颗系外行星；此外，DUET 的成像收集面积是地面望远镜 4 倍之大，但整体重量轻到可以在一次火箭有效载荷中运完。
- 微型探针 MP4AE
（Source：NASA）
微型探针 MP4AE （Micro-Probes Propelled and Powered by Planetary Atmospheric Electricity）由美国西维吉尼亚大学 Yu Gu 领导，研究人员受到蜘蛛空飘（ballooning）能力的启发，设想出可以布署数千个仰赖大气电学飞行的微型探针，来研究系外行星大气层。
每个微型探针总质量约 50 毫克，上面携带小型有效载荷，包括能量存储与转换装置、致动器、微处理器、感测器等，探针两侧各伸出长约 2.5 米的“手臂”感应大气电位梯度（APG），整体由一个 200 米长的线环串著，看起来就像一条项链。线环主要作用是提供大气阻力（atmospheric drag）和静电升力（electrostatic lifts），届时微型探针的水平运动方向虽然不受控制，但垂直运动方向可以受到调节。
对蜘蛛空飘能力有兴趣的读者，也可以看看去年一篇相关报导：蜘蛛仰赖全球电场起飞。
- SPEAR 探测器
（Source：NASA）
SPEAR（Swarm-Probe Enabled ATEG Reactor）探测器是一种用于深空任务的超轻型核电推进（Nuclear electric propulsion，NEP）探测器，采用新的反应炉减速剂和先进热电发电系统（advanced thermoelectric generators，ATEGs），大幅降低整体质量，虽然变成无法一次提供太多电力，但能以减少成本、增加任务次数取胜。
该探测器一个重要的分析目标是木卫二欧罗巴（Europa）。
- 开伞索创新动力系统
（Source：NASA）
开伞索创新动力系统（Ripcord Innovative Power System，RIPS）由约翰霍普金斯大学 Noam Izenberg 领导，该系统利用下降过程中的大气阻力来产生电力，可以在短时间内提供高功率（以千瓦计）给有此需求的探测器。
- 采用激光推进系统的微型探测器
（Source：NASA）
如标，该微型探测器计划名为 Power for Interstellar Fly-by，使用激光推进帆系统来进行星际旅行飞行，当探测器飞过新的恒星系统时，就可以收获一次能量，类似的飞行器比如由突破摄星（Breakthrough Starshot）计划正在专注研发的“星片”（StarChip）光帆飞行器。
- 月球极地采矿飞船
（Source：NASA）
这架月球极地采矿飞船（Lunar-polar Propellant Mining Outpost，LPMO）是一个极具经济效益的突破性研究，有望大幅降低人类探索月球的成本。LPMO 两大解决月球极区采矿障碍的创新点在于：第一，对月球地形有新的见解。
该团队分析发现，在一个靠近极地的小型陨石坑（0.5～1.5 公里）中，有块区域非常适合飞船着陆，因为该地表面永冻，但是上方 100 米处的位置却可以永久接收到阳光照射，因此团队可以设计一根桅杆，将太阳能电池阵列放在 100 米高处为采矿的月球车提供电力，几乎不用害怕断电问题。
第二个创新为团队 TransAstra 公司发明且申请专利的 Radiant Gas Dynamic（RGD）采矿作业，该技术不是直接挖出冰，而是使用射频、微波、红外辐射组合来加热永冻土和冰沉积物使之升华，然后收集在低温冷阱中，将气体转为液体形式。
- 清除太空垃圾的新仪器
（Source：NASA）
截至 2018 年 1 月，估计有 8,100 吨太空垃圾累积在低地轨道上高速绕行地球，包括用过的火箭弹、爆炸碎片等，不只可能损害新发射的昂贵设备，也可能危及国际太空站人员的安全；1979 年时，NASA 就曾指出太空垃圾将呈指数增长，后代人恐无法进入太空。
远地轨道导航仪 CHARON（Crosscutting High Apogee Refueling Orbital Navigator）概念便是清理太空垃圾。该飞行器采用无极劳仑兹力推进器（超轻型离子发动机），燃料来自低地轨道～高椭圆轨道间的氧气、氮气，不断自我补充燃料加上飞行器本身耗能极低，使它的寿命年限长达 10 年，可以自由改变轨道高度追捕垃圾目标物。
- 蒸发集冰的“冷”太阳能系统
（Source：NASA）
冷太阳能系统（Thermal Mining of Ices on Cold Solar System Bodies）由美国科罗拉多矿业学院团队 George Sowers 领导，也跟月球采矿任务有关，有趣的是该系统并非打洞挖矿，而是利用“人工太阳”加热冰表面使其蒸发，挥发物再于“帐篷”中重新收集与处理。团队估计，这种技术足以从月球提取出用于推进剂燃料的水，但耗能比挖矿设备少 60%。
- 低成本探索太阳系边疆的小型卫星
（Source：NASA）
直至今日，我们只有新视野号（New Horizons）、航海家 1 号与 2 号（Voyager 1、Voyager 2）、先锋 10 号与 11 号（Pioneer 10、Pioneer 11）探测器飞过土星轨道，探索外太阳系的风景，每一个探测器重量都大于 250 公斤，背后团队人数高达 10 人。
NASA 喷射推进实验室 Robert Staehle 团队想推出一种探索太阳系边疆的低成本小卫星（Low-Cost SmallSats to Explore to Our Solar System’s Boundaries），无论是成本还是质量都只有上述探测器的十分之一，但能探索的太阳圈范围远达 125 天文单位。
第二阶段入围研究
- 新型天文望远镜
（Source：NASA）
由 3DeWitt LLC 公司设计的高聚光多目标分光望远镜（暂译，原名 The High Étendue Multiple Object Spectrographic Telescope，缩写 THE MOST）是种新型、灵活的扁平紧凑望远镜，可以卷成圆筒，上太空后再展开，并且克服目前多数天文望远镜的难题：观测视野小、只有小部分物体可获得高分辨率光谱、望远镜尺寸增大后结构会变得很复杂等。
该团队已经在 NIAC 第一阶段证明，THE MOST 比过去任何天文望远镜还大 100 倍，且可以获得视场中每个物体的高分辨率光谱，方法与掠射角（grazing angle）有关，当光波以非常靠近绕射光栅（diffraction grating）表面的角度入射后，光聚焦在无限长无限窄的狭缝上，接着像牛顿的棱镜实验一样散去。
第二阶段中，团队将在实验室打造出 THE MOST 模型并进行测试。
- 采用基线干涉技术的合成孔径成像辐射计
（Source：NASA）
由 Leidos 公司设计的 R-MXAS（Rotary-Motion-Extended Array Synthesis），为一种具备旋转系连天线（rotating tethered antenna）的合成孔径成像辐射计（synthetic aperture imaging radiometer，SAIR），可以应用在气候与天气建模，或者描绘来自太阳绕极轨道的日冕物质抛射（CME），推动行星际旅行。
- 自动导向的推进器
（Source：NASA）
我们想派探测器出门探索太阳系边疆、甚至太阳系外的世界，比如古柏带、欧特云甚至附近的恒星等，一定要出现革命性的推进系统。美国一家工程顾问公司 Texas A&M Engineering Experiment Station 提出具创新推进架构的自动导向推进器“Self-Guided Beamed Propulsion for Breakthrough Interstellar Missions”，可用 10% 光速的速度前往半人马座。
这种推进器的关键创新概念，来自中性粒子束与激光光束的独特耦合，产生自我导向的能量束，几乎消除光束在太空传播时会遇见的热膨胀（thermal expansion）和绕射（diffraction）问题。在第二阶段中，团队将用电脑建模出推进器的动力学、尝试分析可行性的动力系统设计。
- 探测太阳附近微中子的小型探测器
（Source：NASA）
太阳附近的微中子强度比在地球上探测到的还高许多，因此探测器不需要很大，也能获得在地球上无法知晓的独特科学，在第一阶段中，威奇托州立大学实验室的太阳微中子太空飞船（Solar Neutrino Spacecraft）已分析出小型微中子探测器重量仅 250 公斤，但能力等同于地球上 3,000 吨的大型探测器。第二阶段中，团队将建造探测太阳附近微中子的小型探测器原型。
- 超材料新型太阳帆
（Source：NASA）
太阳帆（也称光帆）是使用巨大的薄膜镜片反射太阳辐射压，以产生太空船推进力，传统的薄膜材质为聚酰亚胺，但比较不稳定而可能降低飞行速度。现在，罗彻斯特理工学院 Grover Swartzlander 团队以超材料原理设计新的光学薄膜，和背对太阳（或其他光源）的传统薄膜不同，新薄膜面向光源，改藉光绕射方法作为推进力。而利用光绕射的角度偏差，可以改用电子元件取代机械元件来导向，比如电光学波束控制转向，使太空船获得更高加速度。
（Source：NASA）
这个应该是这一次入围名单中最戏剧化的研究了。Solar Surfing 采用高反射率涂层，将能比 2018 年发射升空的派克号太阳探测器（Parker Solar Probe）还要更靠近太阳。派克号与太阳最接近的距离尚有 8.5 倍太阳半径远，而 Solar Surfing 将靠近到只剩 1 倍太阳半径的地方（与太阳表面仅距离 695,000 公里）。在第二阶段，NASA 肯尼迪太空中心团队将开始开发新型涂层。
注：技术就绪指数（TRL）是一种衡量技术发展（材料、零件、设备等）成熟度的指标，为部分美国联邦-机构、国际公司所用。
- NASA Invests in 18 Potentially Revolutionary Space Tech Concepts
- NASA backs 18 new space technology projects for further research
（首图来源：NASA）
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