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借助光压推进的太阳帆飞船,其技术本质和使用微波能量束推进的方式是相似的

太阳帆飞船

  北京时间10月19日消息,据国外媒体报道,我们现在已经发现了大量系外行星,而一旦我们得以区分出其化学组成,那时我们或许将会尝试派出恒星际飞行器前往实际查看一探究竟,寻找生命存在的最佳候选星体。

  但是梦想归梦想,当你考虑进行一次这样的考察之旅将会耗费多少能量时,你就会感到大吃一惊。或许在遥远的未来真的会出现非常先进的,现在无法想象的推进技术,但是在这里,我们仍然使用基于牛顿物理的“作用-反作用”引擎为基础进行讨论。

  不管采用何种推进方式,核聚变推进,反物质推进,甚至黑洞借力推进,飞船本身都必须携带大量的燃料。然而这样做就会极大地增加飞船自身的重量,从而让加速或减速时需要耗费的能量随之大幅上升。

  解决这一难题的方法或许就是,在地球附近制造出大量的能量,并将能量束瞄准飞行中的飞船。想象一下,这就像是用花园里浇花的软管冲刷一张树叶。在这种情况下,树叶的质量仅仅占到软管或水体质量的很小一部分。来自研究公司“微波科学”的詹姆斯·本福德(James Benford)写道:“这是唯一一种不存在物理学障碍的恒星际飞行模式。”

  在上世纪80年代中期,物理学家罗伯特·富沃德(Robert Forward)首先提出借助从地球发出的能量束实现星际飞行的方案。这一理论后来经过了进一步发展,甚至给出了使用激光进行反向减速的方案,从而使其能够顺利进入另一个太阳系。巨型微波发射器的精度不如经过校准后的激光光束,但是它们的建造成本更低。这其中的关键点就在于,飞船必须要在由于微波长时间照射而变得过热之前获得足够的加速度。

  本福德目前正在自己的实验室中对这种“光束推进”技术方案进行基本的测试工作。实验的结果显示,采用宽阔的圆锥形“船帆”似乎是效果最好的。当然这个船帆以及飞船本身都必须使用质量非常轻的材料制作而成,比如纳米碳管,石墨烯和铍等等。这些材料必须可以经受2000华氏度(约合1093摄氏度)的高温炙烤,这种高温是由射来的能量束造成的。这就要求这些材料具有极好的反射性能,能尽量少的吸收这些热量。

  而用于发射这束超级能量束的发射器将是一个巨大的天线,耗资将会十分惊人。根据本福德的估算,建造一个可用于发射一辆卡车般大小载荷的能量束发射装置将耗资180万亿美元,并且每执行一次任务还需要额外花费5000亿美元。但是尽管这些数额听上去大得吓人,但是事实上,相比建造一艘自行推进的恒星际飞船,这样的花费仍然是相对较便宜的。

  除此之外,由于这一巨型发射装置是被安装在地球上或是近地空间,因此可以对其相对方便地进行后勤维护保养,因为毕竟你在其它星球上可找不到可以维修的停泊港。并且这一系统很大程度上是可以承受失败的,因为如果有一个探测器坏了,我们只要直接另外在能量束上放置一个新的来替换就好了。

  本福德表示,这项技术最先可以被用于在太阳系内进行测试,比如用于为在火星上执行任务的宇航员们传输重要的部件或药品。当被“射出”之后,这些载荷的飞行速度就将可以达到每小时100万英里(约合160万公里)左右。而当载荷抵达火星时,激光或大气减速系统将让其进入火星轨道。这样的物品传输时间将低于两个星期。

  根据本福德的估算,作为一个先导项目,向距离地球约1光年的奥尔特云发射探测器,我们将需要建造一台24吉瓦(GW)功率,直径为2英里(约合3200米)的发射天线,其耗资约为1440亿美元。而其可以发射的载荷重量约为150磅(约合68公斤)其中一半的重量是它翼展半英里(约合805米)长的“船帆”。在发射后5小时内,这颗探测器就将被加速到每小时14万英里(约合22.5万公里)的极高速度。

  一艘真正的恒星际飞船,一艘可以以大约1/10的光速在大约40年内飞抵距离我们最近的半人马座α星的飞船,其重量将大约为数吨,除非其大量使用超轻质的纳米技术材料建造。对此,前美国宇航局局长丹尼尔·戈尔丁(Dan Goldin)表示,该技术将把恒星际距离缩减至一个浓汤罐头那么近。不过,你将需要建造一台功率为300太瓦(TW),直径60英里(约合96.5公里)的巨型发射天线来推动它!其电力消耗量将相当于目前全世界每天总耗电量的20倍。这样一艘探测器必须可以快速加速,以免自己的船帆被蒸发掉。因此其加速度将达50个G,因此先不要幻想着搭乘这艘飞船去做星际旅行,因为你会被轻而易举地压成一个薄饼。

  借用美国伟大的天文学家卡尔·萨根在其1985年撰写的科幻小说《超时空接触》中的一个想法。想象一个宇宙中的高级文明正向我们传输着建造恒星际能量束推进飞船的蓝图样本。它将帮助我们向他们所在的星系发射飞船,并最终抵达那里。这样一种恒星际飞行方式或许将是两个宇宙文明之间相互交换“物理物件”的唯一可行办法。我们或许会向他们传送各种地球生物的DNA样本,然后,想象一下,或许三体人就能在他们的星球上复制一个圣迭戈动物园了。(晨风)