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      七種方式或實(shí)現星際旅行

        英國《自然》雜志日前刊登的一篇論文引起了前所未有的震動(dòng)。該論文稱(chēng),天文學(xué)家發(fā)現,有類(lèi)地行星圍繞離太陽(yáng)系最近的恒星——比鄰星的軌道運行,且根據這顆行星所處的位置推測,該星球表面可能存在液態(tài)水,科學(xué)家們將地球的這個(gè)“堂兄弟”稱(chēng)作“比鄰星b”。

        盡管該恒星系統與我們堪稱(chēng)宇宙間的近鄰,但它仍然遠在4.2光年(大約40萬(wàn)億公里)之外,如此遙遠的距離,我們有可能拜訪(fǎng)這個(gè)新“現身”的行星嗎?

        現有的航天器由化學(xué)火箭、低推力離子推進(jìn)器,以及包括利用行星重力場(chǎng)給太空探測船加速的所謂“引力彈弓效應”在內的引力輔助軌道等共同推動(dòng)。如果使用傳統航天器,比如現在用于探測太陽(yáng)系的機器人探測器等,要花數萬(wàn)年才能到達比鄰星。

        如果我們想前往太陽(yáng)系之外的地方,則需要速度更快的設備,比如像“代達羅斯計劃”(Project Daedalus)中提到的核聚變火箭等。在最近的報道中,美國趣味科學(xué)網(wǎng)站為我們列出了未來(lái)有可能幫助人類(lèi)拜訪(fǎng)比鄰星或其他宇宙鄰居的7種方式。

        電子束引爆核動(dòng)力火箭

        “代達羅斯計劃”是英國星際學(xué)會(huì )在1973年至1978年間倡導的研究計劃,該計劃考慮使用無(wú)人太空船對另一個(gè)恒星系統進(jìn)行快速探測,其名稱(chēng)源自希臘神話(huà)中修建米諾斯迷宮的工匠代達羅斯。

        該計劃希望設計出“代達羅斯”航天器——一種重達54000噸的二級核動(dòng)力火箭,能將一個(gè)400噸的機器人探測器提升到光速的12%。如此一來(lái),探測器能在50年內,也就是在一個(gè)人的有生之年,到達距離地球6光年遠的紅矮星巴納德星(Barnard's Star)。

        巴納德星在很多方面與科學(xué)家們最新發(fā)現的比鄰星類(lèi)似:它距離地球非常近,正在向太陽(yáng)系的方向運行,預估公元11800年時(shí),會(huì )距地球僅3.85光年,那時(shí)它將成為除太陽(yáng)以外離地球最近的恒星。

        “代達羅斯”航天器的火箭將由核聚變提供燃料,使用電子束引爆燃料,例如氦-3,科學(xué)家們未來(lái)或許可以從月球表面開(kāi)采氦-3。即便如此,發(fā)動(dòng)機仍然需要消耗數萬(wàn)噸燃料,才能在大約4年內達到其頂級速度(光速的12%)。然后發(fā)動(dòng)機會(huì )關(guān)閉,“代達羅斯”航天器將在茫茫太空中航行46年,最后到達目的地。因為沒(méi)有留下任何可供減速的燃料,長(cháng)達50年的漫長(cháng)旅行之后,航天器將對目的地系統進(jìn)行70小時(shí)的飛掠,然后加速進(jìn)入星際空間。

        英國倫敦大學(xué)伯貝克學(xué)院行星科學(xué)教授兼太空生物學(xué)專(zhuān)家伊恩·克羅弗德稱(chēng),“代達羅斯”航天器太大了,或許無(wú)法從地球表面起飛,因此不得不在軌道上建造,但目前我們還不具備在太空制造航天器的能力。

        克羅弗德認為,盡管與“代達羅斯計劃”提出之時(shí)相比,科學(xué)家們現在對該項目背后的科學(xué)原理理解得更為透徹,但他認為,巨額的成本以及巨大的技術(shù)挑戰很可能意味著(zhù),要想讓類(lèi)似“代達羅斯”航天器這樣的設備朝恒星進(jìn)發(fā),至少需要100年。

        激光點(diǎn)火核聚變火箭

        “代達羅斯”項目已成“昨日黃花”,取而代之的是“伊卡洛斯計劃”(Project Icarus)。該計劃目前正由英國星際協(xié)會(huì )和伊卡洛斯星際組織攜手進(jìn)行,參與這一項目的工程師們希望能在2100年之前實(shí)現星際飛行。

        “伊卡洛斯計劃”的使命是研制出能到達距地球22光年范圍內恒星的航天器,此處的恒星可能擁有宜居的系外行星。這意味著(zhù),如果某個(gè)行星被證實(shí)位于比鄰星周?chē),將成為這一項目的目標星球。

        克羅弗德表示,“伊卡洛斯計劃”會(huì )用新技術(shù)、新想法對“代達羅斯計劃”的設計方案進(jìn)行升級?茖W(xué)家們提議,讓核聚變火箭使用另一種不同的核燃料,能被激光而非電子束引爆,美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室國家點(diǎn)火裝置(NIF)的科學(xué)家們在激光點(diǎn)火核聚變領(lǐng)域取得的進(jìn)步,或許有助于實(shí)現這一想法。

        再加上電子設備微型化、機器人技術(shù)以及納米技術(shù)等領(lǐng)域取得的進(jìn)步,“伊卡洛斯”航天器可能比預計重達400噸的“代達羅斯”小很多,這意味著(zhù)可以攜帶更少的燃料。

        用激光驅動(dòng)光帆行進(jìn)

        不過(guò),克羅弗德表示,我們最好還是將實(shí)現星際旅行的賭注壓在根本不使用火箭上?茖W(xué)家們現在正在考慮使用光帆(使用光產(chǎn)生的壓力推動(dòng)負載)來(lái)推動(dòng)星際太空探測器行進(jìn)。例如,2010年12月8日,日本依靠太陽(yáng)輻射加速的星際風(fēng)箏“伊卡洛斯(IKAROS)”飛船,在長(cháng)達6個(gè)月的金星之旅中成功地使用其20米寬的光帆來(lái)推動(dòng)飛船前進(jìn)。“伊卡洛斯”是由日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機構開(kāi)發(fā)的試驗性太空探測器,也是世界第一個(gè)成功在星際空間運行的太陽(yáng)帆,該太陽(yáng)帆的名字由日本工程師森治取名自希臘神話(huà)中的人物伊卡洛斯。

        盡管由太陽(yáng)光驅動(dòng)的光帆已成為一種高效探測太陽(yáng)系的方式,但還不夠快,無(wú)法在合理的時(shí)間內跨越漫長(cháng)的星際距離。

        克羅弗德說(shuō),解決辦法可能是,在旅行開(kāi)始,使用功能強大的激光推動(dòng)光帆以極高的速度行進(jìn),直到航天器距離激光源太遠而無(wú)法從激光束那兒獲得更多推動(dòng)力。

        由于驅動(dòng)激光器將在地球或軌道上建造,星際光帆航天器將不需要在旅程中攜帶燃料,因此航天器的質(zhì)量會(huì )比較小。

        激光驅動(dòng)的光帆航天器也是“突破攝星(Breakthrough Starshot)”計劃的基礎,這一計劃由俄羅斯知名技術(shù)投資人尤里·米勒和英國著(zhù)名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金于今年4月份攜手宣布,旨在于2036年前制造出一款工作模型,整個(gè)項目計劃耗資100億美元。

        “突破攝星”計劃的目標是開(kāi)發(fā)數千個(gè)配備太陽(yáng)帆的納米太空飛船“恒星芯片(StarChip)”,飛往離我們最近的恒星系,并發(fā)回照片。每個(gè)“恒星芯片”的重量?jì)H為幾克,依附到一個(gè)約4米寬的光帆上。光帆會(huì )從一艘位于軌道的“母船”那兒延伸開(kāi)來(lái),借助地面激光器發(fā)射出來(lái)的激光,“恒星芯片”和光帆會(huì )被加速到光速的15%到20%,這將使航天器能在20年到39年間抵達距離地球4光年的比鄰星系統。

        加州大學(xué)圣巴巴拉分校的宇宙學(xué)教授菲利普·魯賓對“突破攝星”計劃背后的概念進(jìn)行了深入研究。他認為,這一計劃面臨的最大挑戰是制造出足夠強大的激光器來(lái)驅動(dòng)光帆航天器。

        巴薩德星際沖壓發(fā)動(dòng)機

        除使用光帆外,任何飛船都需要攜帶大量燃料,并耗費很多能量來(lái)運送這些燃料。光帆雖然解決了這個(gè)問(wèn)題,但卻缺乏靈活性,難以進(jìn)行隨意的加速減速和軌道調整。而使用星際沖壓發(fā)動(dòng)機的飛船,可以不犧牲靈活性而解決燃料攜帶方面的問(wèn)題,因為核聚變的燃料氫在星際空間中到處都是,只要在飛行途中把它們搜集起來(lái),送進(jìn)反應爐中就可以了。

        巴薩德星際沖壓發(fā)動(dòng)機這一概念由美國物理學(xué)家羅伯特·巴薩德于上世紀60年代提出,兼具核聚變燃料的大推力以及光帆的低燃料需求這兩方面。

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