革命性光帆技术问世，星际旅行时间有望缩短至几十年

IT之家 4 月 2 日消息，美国布朗大学与荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的最新合作成果，为人类实现星际旅行的梦想带来了曙光。通过将超薄、高反射率材料与人工智能优化的纳米级设计相结合，研究团队开发出了一种革命性的光帆（Lightsail），这种光帆不仅成本更低、制造速度更快，而且有望被扩展应用于像“突破摄星”（Breakthrough Starshot）计划这样的星际任务，将抵达附近恒星的时间从数千年缩短至数十年。

据IT之家了解，自 1977 年发射以来，美国国家航空航天局（NASA）的“旅行者 1 号”探测器已经深入太空超过 150 亿英里。尽管这一距离令人惊叹，但它仍未达到距太阳最近的恒星半人马座 α 星距离的 1%。为了在人类有生之年抵达其他恒星，航天器的飞行速度必须远超目前人类所建造的任何飞行器。

一种极具潜力的解决方案是“光帆”—— 一种薄而反光的薄膜，它利用光的压力推动自身前进，类似于风推动帆船的方式。与传统推进系统相比，光帆有望显著缩短前往附近恒星的旅行时间，可能将数千年的时间缩短至仅几十年。

如今，布朗大学和代尔夫特理工大学的研究人员开发出了一种新的设计和制造超薄、高反射率光帆薄膜的方法。在发表于《自然通讯》杂志的研究中，团队描述了一种直径为 60 毫米、厚度仅为 200 纳米（人类头发的数千分之一）的原型光帆，其表面覆盖着数十亿个纳米级小孔，这些小孔减轻了重量并提高了反射率，使其在光驱动加速方面更加高效。

“这项工作是布朗大学理论家和代尔夫特理工大学实验家的共同努力成果，使我们能够设计、制造并测试迄今为止记录的最大纵横比的高反射率光帆。”布朗大学工程学院副教授、与代尔夫特理工大学副教授理查德・诺特共同领导这项研究的米格尔・贝萨表示，“理查德团队的实验突破证明了他们的制造工艺能够扩展到星际旅行所需的尺寸，并且可以以一种成本效益高的方式进行。同时，我的团队也非常高兴看到我们最新的人工智能优化方法在解决这样一个有趣且困难的工程问题中发挥了关键作用。”

这项研究是实现“突破摄星”计划目标的重要一步。该计划由企业家尤里・米尔纳和已故物理学家斯蒂芬・霍金创立，旨在利用地面激光为携带微型芯片航天器的数百个米级光帆提供动力。研究人员表示，这种新的光帆设计可以相对容易地扩展到米级，并且成本可控。

在设计中，团队采用了单层硅氮化物，这种轻质且高强度的材料非常适合光帆设计。研究人员随后致力于在最大限度提高其反射率的同时，尽可能减轻其重量。表面的反射率决定了帆后产生的光压大小，进而决定了其加速速度。与此同时，较轻的材料需要更小的力来加速，因此质量越小，速度就越快。

优化过程包括设计一种纳米级孔洞的图案 —— 在材料表面分布着数十亿个直径小于光波长的孔洞。贝萨的团队，包括布朗大学博士生 Shunyu Yin，运用他们新开发的人工智能方法来优化孔洞的形状和位置，以提高反射率并减轻重量。

一旦确定了优化设计，由诺特领导的代尔夫特理工大学团队便开始在实验室中制造它。

“我们开发了一种新的气体蚀刻技术，使我们能够精细地去除帆下的材料，仅留下帆本身。”诺特说，“如果帆在制造过程中损坏，那很可能是在制造阶段。一旦帆被悬空，它们实际上相当坚固。这些技术是在代尔夫特理工大学独特开发的。”

研究人员表示，使用传统方法制造这种设计将耗费昂贵且可能需要长达 15 年的时间。但采用诺特的技术，制造过程仅需大约一天时间，且成本降低了数千倍。研究人员认为，这种薄膜具有迄今为止任何光帆设计中最高的纵横比 —— 厘米级长度但纳米级厚度。他们希望这些方法不仅能帮助人类抵达恒星，还能推动纳米级工程的极限发展。

“我们在研究中使用的新机器学习和优化技术非常通用。”贝萨说，“我们可以用它们来创造许多不同用途的不同东西。这真的只是一个开始。我们可能正处于解决迄今为止一直无法解决的工程问题的边缘。”