未來星際旅行的十條途徑

未來星際旅行的十條途徑第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三1961年，尤里·加加林（YuriGagarin）成為了第一個進入外層空間的人類。8年后，尼爾·阿姆斯特朗（NeilArmstrong）和巴茨·奧爾德林（BuzzAldrin）成功地著陸到了月球的表面。這是目前所到過的最遠距離。除了預算問題和政治意愿之外，最大的障礙是我們目前的空間飛行技術——化學燃料火箭——無法用于長距離的深空飛行。雖然我們已經可以把機器人探測器送往了外太陽系，但是整個行程要花上好幾年的時間。對于造訪其他的恒星，根本就是不可能的任務?！鞍⒉_”10號是迄今速度最快的載人空間飛行器，最高速度達到了每小時39,895千米。即使以這個速度飛行，那么到達距離我們最近的、4.2光年遠的比鄰星也要花上12萬年。因此，如果我們真的想進行深空星際旅行并且前往比鄰星以及更遙遠的地方，那么就需要新的技術。下面你將看到其中最有趣的10種新技術。這些技術的可行性大相徑庭。其中一些，如果我們真想的話，興許明天就能實現，而另一些也許根本就不可能。第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三離子推進傳統(tǒng)的火箭通過向后噴射氣體來向前推進。離子推進器使用相同的原理，但與噴射高溫氣體不同，它們噴出的是帶電粒子（離子）。由此產生的推力非常微小，但關鍵的一點是，對于產生相同的推力而言離子推進器所需的燃料要比傳統(tǒng)火箭少。如果它們能長期穩(wěn)定地工作，最終也能把飛行器加速到極高的速度。一些探測器已經采用了離子推進器，例如日本的“隼鳥”探測器和歐洲空間局的SMART-1月球探測器，并且這一技術也正在不斷地完善。其中特別有希望的是可變比沖磁等離子體火箭（VASIMR）。它和通常采用強電場加速離子的離子推進器不同，VASIMR使用無線電頻率發(fā)生器（并非類似無線電廣播的發(fā)射器）來把離子加熱到100萬℃。其原理是，在強磁場中離子會以一定的頻率轉動，隨后無線電頻率發(fā)生器會被調整到這一頻率，為離子注入額外的能量，進而大幅度增加推力。初步的測試結果非常吸引人。如果一切順利，VASIMR可以在39天里把人送往火星。前景：幾年第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三可變比沖磁等離子體火箭。第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三核脈沖推進如果這里的一些想法能讓你覺得還不是那么不可能的話，那么下面這個看起來絕對讓人難以置信。這個想法是，定期地向后方引爆核彈來驅動飛船。美國國防部高等研究計劃局（DARPA）曾經在代號為“獵戶計劃”的項目中認真地研究了核脈沖推進。其目的是設計出一種快速的行星際旅行方案。即便以現在的標準來看，DARPA的設計也非?！熬薮蟆?，它需要建造一個巨大的激波吸收器，外加一個用于保護乘客的輻射防護罩。這看上去似乎能奏效，但引人關注的是如果它在大氣層中發(fā)射失敗的話，后果將不堪設想。當首批核試驗禁令頒布以后，這一計劃最終于20世紀60年代被取消。雖然有這些擔心，但是獵戶計劃的設計仍然是現有的技術可以達成的，一些科學家仍然在繼續(xù)提出新的核脈沖推進方案。理論上，一艘由核彈驅動的飛船可以達到光速的十分之一，這使得到距離我們最近的恒星只需要40年。前景：完全可能，但需降低風險第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三核聚變火箭核脈沖推進并不僅僅是空間飛行技術，還要依賴核能。核動力火箭可以利用火箭上的裂變反應堆所產生的熱量來噴射氣體提供推力。但是就威力而言，它們根本無法和核聚變火箭相比。通過原子之間的聚合，核聚變可以釋放出巨大的能量。絕大部分的聚變反應都采用被稱為“托卡馬克”的裝置把自身束縛在磁場中。不幸的是，托卡馬克裝置都極為笨重，因此核聚變火箭都專注于另一種觸發(fā)核聚變的方法，被稱為“慣性約束聚變”。在慣性約束聚變中，高功率能量束（通常為激光）取代了托卡馬克中的磁場。通過劇烈引爆一小塊燃料彈丸導致外層爆炸，進而推動內層物質觸發(fā)核聚變。隨后磁場會被用來引導所產生的高溫等離子體從飛船尾部排出。20世紀70年代英國行星際學會詳細地研究了這一類型的核聚變火箭，它們可以在50年內——對于人類而言這一時間跨度尚可承受——把人類送往另一顆恒星。美中不足的是，盡管已經攻關了幾十年，但是至今還沒有一個可以工作的核聚變反應器。前景：可能，但至少還要幾十年第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三星際沖壓發(fā)動機所有的火箭，包括核聚變火箭，都有相同的根本問題。為了獲得更高的加速度，就必須攜帶更多的燃料，這就會使得飛船變得越來越重，最終又減緩了加速。因此，如果你真想進行星際旅行，就應該避免攜帶任何燃料。1960年物理學家羅伯特·巴薩德（RobertBussard）提出的星際沖壓發(fā)動機就能干凈地解決這個問題。它是一個如上文所述的核聚變火箭，但它并不攜帶核燃料，而是通過電離周圍宇宙空間中的氫，并且使用“電磁網”將它們吸入飛船做為燃料。星際沖壓發(fā)動機的問題并不是前面提到的沒有可運轉的核聚變反應器，而是其所需電磁網的大小。由于星際空間中氫的數量非常少，于是這張電磁網必須要有數百甚至上千千米寬。一種辦法是從地球向星際沖壓發(fā)動機將要經過的路線發(fā)射其所需的燃料，由此飛船就可以不必使用巨大的電磁網。但這就意味著飛船必須按照預先設定的路線飛行，同時這也使得往返其他恒星的旅行變得極為困難。前景：巨大的技術挑戰(zhàn)第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三星際沖壓發(fā)動機。第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三太陽帆這是解決燃料攜帶問題并且達到超高速的另一技術，但代價是時間。就如借助地球大氣層中風能的風帆，太陽帆汲取的是太陽光中的能量。太陽帆已經在地球上的真空室中成功地進行了測試，但軌道測試卻屢遭不幸。2005年，“宇宙”1號發(fā)射失敗。另一個“納米帆-D”也因火箭發(fā)射失敗而告終。雖然有這些問題，但太陽帆仍然是非常有前景的技術——至少在太陽系內如此，因為其中陽光的光壓最大。但是由于重量問題，對于載人星際旅行來說太陽帆還是不行。前景：完全可能，但有局限第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三太陽帆第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三磁帆作為太陽帆的一個“變種”，磁帆由太陽風推動，而非太陽光。太陽風是自身具有磁場的一股帶電粒子流。其想法是，在飛船周圍包裹上一層和太陽風極性相反的磁場，通過磁場間的排斥作用飛出太陽系。另一種變體則是“空間蛛網”，它使用從飛船延伸出的帶正電的導線來排斥太陽風中的正離子。磁帆或者類似的技術還可以利用行星的磁場來改變自身的軌道，甚至飛躍行星際空間。然而，就自身而言，太陽帆和磁帆都不適合星際旅行。當它們逐漸遠離太陽的時候，陽光和太陽風的強度就會迅速下降。結果是它們無法達到飛往其他恒星所需的速度。前景：僅適用太陽系旅行第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三空間蛛網第十二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三能量束推進如果太陽無法提供足夠的能量來推動星際飛船達到高速，那么也許我們可以通過向飛船發(fā)射能量束來做到這一點。這一技術就是激光燒蝕，即通過從地面上發(fā)射出的強激光來使得飛船上的一塊金屬板逐漸蒸發(fā)產生推力。類似地，物理學家和科幻小說家格雷戈里·本福德（GregoryBenford）及其兄弟詹姆斯·本福德（JamesBenford）提出為飛船裝配涂有特質涂料的太陽帆。從地球上發(fā)出的微波可以灼燒這些涂料產生推力。這可以加快行星際旅行的速度。另一種則是使用磁化等離子束推進，它可以加速磁帆。當進行星際旅行的時候，最好的辦法可能是使用激光來推動光帆。羅伯特·福沃德（RobertForward）在1984年的一篇論文中首次提出了這一構想。能量束推進也面臨著嚴重的挑戰(zhàn)。能量束必須在遠距離上精確的瞄準目標，飛船必須要能極為高效地利用輸入的能量，產生能量束的裝置必須非常強大——在某些情況下其所需的能量甚至超過了目前人類的總能量輸出。前景：極具挑戰(zhàn)第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三曲速引擎1994年物理學家米蓋爾·阿爾庫比雷（MiguelAlcubierre）首次提出了類似《星際迷航》中的彎曲引擎。這一引擎將使用尚未被發(fā)現的、具有負質量和呈負壓的“特異物質”。由此可以扭曲時空，造成飛船前方的空間收縮、后方的膨脹。被包裹在這一“彎曲泡”中的飛船就能在不破壞相對論的情況下超光速飛行。不幸的是，曲速引擎存在一系列的問題。首先，維持這一彎曲所需的能量就超過了宇宙的總能量。其次，它會產生大量威脅宇航員生命的輻射。另外，也沒有證據表明存在這樣一種特殊的物質。更為關鍵的是，2002年發(fā)表的計算證明，對于飛船而言無法往“彎曲泡”的前方發(fā)送信號，這就意味著宇航員將無法操控飛船。事實上，無論能提供多少能量，物理上似乎都不可能產生這樣的“彎曲泡”。前景：顯然不可能第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三蟲洞自從愛因斯坦的廣義相對論被廣為接受以來，蟲洞已經從理論上被證明是可以存在的，它是聯接時空的隧道狀捷徑。發(fā)明了“黑洞”一詞的物理學家約翰·惠勒（JohnWheeler）創(chuàng)造了這個詞。問題是它在現實中存在嗎？如果存在，我們能從中穿過嗎？很不幸，兩者的回答都是“不”。如果蟲洞要想存在，就必須要由上文中阿爾庫比雷所提出的特異物質來穩(wěn)定，而目前還沒有發(fā)現這樣的物質。另外，雖然可以用特殊的負能量場來維持蟲洞處于張開的狀態(tài)，但進入蟲洞的任何物質或者能量都會立即使得它關閉。不過，20世紀90年代物理學家謝爾蓋·柯蘭斯尼可夫（SergueiKrasnikov）提出了一種可用于旅行的不同蟲洞。由于自身可以制造出特異物質，因此這一類型的蟲洞可以自我維持。另一大反對蟲洞的理由是，如果蟲洞可以用于穿越空間，那它也就能成為某種時間機