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人类去太阳系之外的星际空间旅行的方法

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发表于 2016-11-8 23:03:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
  扬起帆,御光而行,也许是前往太阳系之外星际空间的最佳途径。
  人类一直就有一个梦想:遨游星际空间。科学家们和科幻作家们一直在思考,如何能在100年内抵达其他的恒星。

人类去太阳系之外的星际空间旅行的方法

人类去太阳系之外的星际空间旅行的方法

  用光推进


  但是,该如何来实现这一目标呢?高速核火箭,作为常常被提及的下一代运载工具,在技术上还非常遥远。以化学反应驱动,诞生于二战的化学火箭速度太慢。迄今所发射的最快的化学火箭需要74 000年才能抵达距离我们最近的比邻星。要提速就需要更多的燃料,但这一做法并非是无止境。增加100倍的燃料,最多只能把速度提高5倍。

  然而,在物理上最有利的则是激光帆技术。1962年物理学家和科幻作家罗伯特·福沃德(Robet Forward)率先提出了这一概念,之后便开始了研发和测试。这些太空船的特点就在于有一张巨大的帆。和行驶在地球上海洋中的帆船类似,但它所利用的并不是风能,而是光能。


  激光帆是太阳帆概念的后裔。太阳帆类似一个巨大的风筝,完全靠太阳光来推动。例如,日本14米宽的太阳帆“伊卡洛斯”,于2010年12月飞过金星。不幸的是,单单由太阳光所产生的驱动力相当微弱。“伊卡洛斯”花了近7个月的时间才抵达距离我们最近的金星。但是,如果有针对性且持续的电磁辐射——微波或者激光——照射,就可以为该航天器增加数百乃至数万倍的推力。


  据估算,只要持续照射激光帆数个小时,由此导致的连续加速可以使之达到星际飞行所需的速度。10个小时之后就可以加速到光速的10%左右。
  尽管早先提出的概念使用的是激光,但也有科学家更青睐使用廉价的微波来为之提供动力。一开始微波波束发生器会安装在地球上,但最终很有可能会把它们放置在卫星上,后者可以把太阳光能转变成微波。

  激光或者微波发生器的建造需要极大的投入,类似于修建铁路中的铁轨铺设。有了波束发生器,微波帆就可以在太空中进行组装,然后出发去往不同的方向来执行各色的任务,那里就像是星际飞行的交通枢纽。


  不仅仅是科幻


  直到2000年,这一设想才获得了支持,开始检验和测试。科学家和工程师们第一个需要证明的是,一个束微波确实可以托举起一个真实的结构——一张3.5厘米的微帆,由粗细仅人头发丝十分之一的轻质碳纤维编织而成。

  虽然这首个的微波帆并不大,但工程师们却有一个惊人的发现。微波帆的加速性远高于预期,因为被束缚在碳纤维中的一氧化碳会迅速地蒸发出,提供额外的推动力。这个测试用的微波帆最终达到了4倍于重力加速度,一头撞上了天花板。这一预料之外的效应可以通过在制造微波帆时附着特殊的涂层或者是嵌入材料来被加以利用。
  更有利的一点是,当这些物质因加热而蒸发出来的时候,帆体的质量会进一步减轻。帆越轻,在给定的力之下加速度就越大。放大版的微波帆预计会达到每平方千米5吨的质量。不过科学家们相信,使用厚度仅一个碳原子的石墨烯材料,可以使得微波帆的面密度下降到每平方千米230千克。

  在其他实验中工程师们发现,如果帆的形状得当,微波束可以对帆起到稳定作用,使之扬起。之前的太阳帆都是平的,这样设计的是为了能接收到更多的阳光,但它很难保持与入射阳光之间正确的方向。由波束驱动微波帆会具有类似于伞的凹陷形状,由此当光波照射到帆上,帆就会自然而然地滑向波束的中心。

  接下去就是进行真正的太空实验。机会出现在2005年6月,当时俄罗斯沃尔纳火箭原定发射宇宙1号,它是一张面积近600平方米的太阳帆。不幸的是,发射以失败告终。
  然而,微波帆能够成功,还取决于资金。2013年的一项研究发现,建造一个能把微波帆送出太阳系的波束发生器将要花费约300亿美元,但一旦建成该系统的运行费用则很廉价。在四个半小时的加速之后,微波帆就能在1年内抵达冥王星,总花费约4000万美元。相比之下,新视野探测器花了近9年半的时间才抵达冥王星,耗资约7亿美元。


  解码波束


  有关的试验和分析显示,微波帆也是在可承受的范围内最实用的太空旅行技术。但除此之外,它们还有另一个用途——寻找外星人。银河系中其他地方的智慧文明兴许也会利用相似的技术来穿梭于宜居的行星之间。
  事实上,计算表明,由地球上的波束发生器所泄露出的信号在相同的频段上要比太阳发出的射电波亮度还要高出100万倍。在其他的行星系统中寻找与之类似的信号,可能将会是搜寻地外文明的一条新途径。

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