科学家们正在探索光帆应该由什么制成？

突破摄星（Breakthrough Starshot）计划的目标是在短短几十年内跨越遥远的距离到达最近的恒星。他们的任务是使用高功率激光推动反射帆技术达到相对论速度。光帆材料的选择是其成功的关键，因为它必须重量轻，同时能够承受激光的加速和辐射。最近的一项研究探索了多种材料，并提出核壳结构 —— 由两种不同材料组成的球形粒子 —— 可能是一种很有前途的解决方案。

“突破摄星”是一个雄心勃勃的项目，旨在通过向最近的半人马座阿尔法星发射小型轻型航天器来探索星际空间。该项目计划使用基于地面的高功率激光器来加速反射的“光帆”，使航天器能够达到相对论速度，并在短短几年内旅行4.37光年。每艘飞船都将配备微型传感器和通信系统，沿途将收集系外行星和其他星际现象的数据。如果成功，它将标志着我们探索遥远恒星系统和寻找外星生命的第一步。

以接近光速的相对论速度行进，带来了惊人的可能性，但也带来了巨大的困难。在这样的速度下，时间膨胀（爱因斯坦的相对论预言的一种现象）导致旅行者的时间过得比地球上的观察者更慢，从旅行者的角度来看，有可能在一个人的一生内旅行到遥远的恒星。但这对摄星计划来说不是问题，因为他们只计划发射小型航天器。然而，达到这样的速度，即使是摄星也需要克服巨大的能量需求，因为所需的动能随着速度呈指数增长。相对速度下的环境也变得特别危险。以如此高的速度与粒子碰撞很容易摧毁航天器，而且由于相对论效应，辐射暴露会加剧。

为了在几十年内完成旅程，宇宙飞船需要加速到光速的20%，随之而来的是上面列出的所有问题。为船帆选择合适的材料是关键。德国卡尔斯鲁厄理工学院的米切尔·r·惠特姆、卢卡斯·雷布霍尔兹、贝内迪克特·泽鲁拉和卡斯滕·洛克斯图尔最近发表了一篇论文，报告了他们寻找最佳材料的结果。他们特别关注所谓的“核壳微球”。

结构是基于矩阵设计，发现它的起源Mie理论。这个数学框架是由德国物理学家古斯塔夫·米（Gustav Mie）在1908年提出的，用于描述球形粒子如何散射电磁波（如光）。在他们的研究中，他们探索了由铝、硅、二氧化硅和各种组合制成的球体的反射特性和加速时间。

结果很有希望，由硅和二氧化硅组合而成的外壳产生了最好的效果。这项工作为光帆的材料结构提供了重要的见解。虽然不是一个确定的结果，但他们表明，核壳微球是一个以前未被探索的光帆物理领域，是一个有希望探索未来实验工作的途径。

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