纵览网丨科学家实现光帆飞船新技术突破，助力星际航行梦想

曾经只存在于科幻小说中的“太阳帆飞船”，正被中国科学家，赋予坚硬的“骨骼”。最近，中国科学院沈阳团队在空间结构领域，实现了新技术突破，一种轻如蝉翼，但又硬如钢铁的复合折叠材料，通过了理论建模和仿真分析的认证。这意味着，人类借光远航的星际梦想，距离挣脱引力束缚又近了一步。

众所周知，每当谈到星际航行，推重比和宇宙速度，一直都是绕不开的话题。旅行者1号通过助推器加速，核脉冲推进系统和引力弹弓三种方式接力加速，也才堪堪达到每秒25千米。以这个飞行速度，离开奥尔特星云需要3万年，抵达比邻星则需要7.4万年。因此，为了在尽可能短的时间，抵达更远的星球，科学家们一直都在苦思冥想如何提升飞行器的速度。但传统工质飞船，想要飞得快，就得携带相当多的燃料，以1970年提出的代达罗斯核聚变飞船为例，为了达到0.12%光速，最轻方案，飞船带上燃料，也需要5.4万吨，其中5万吨燃料，都是较难获取的氘和氦-3。此时，基于光压力原理的光帆飞船，由此应运而生。

想要理解光帆飞船的原理，我们首先需要了解光子。光子静止时质量为零，但运动时，光子具有动质量。换言之，在真空环境中，假如一个物体被光长时间照射，且该物体接收的光动量大于物体质量，排除其他力的干扰，该物体必然朝着光子运动的方向运动。根据光压公式相对论动量定理等理论计算，只要光帆面积达到7000平方公里，重量控制在100吨，然后通过多台功率100太瓦激光发射器照射光帆，光帆甚至能达到99%光速。按照旅行者1号飞往比邻星的时间，这个7000平方公里的光帆，甚至飞出银河系都是绰绰有余。

当然，7000平方公里，重量100吨的光帆，从短期来看，无论是工程层面，还是强度、技术方面，都很难做到。但是，相比达到0.12%光速，就需要烧掉海量资源的核聚变方案，光帆飞船的发展潜力，已经凸显无疑。如果抛开99%光速的幻想，2016年，知名物理学家霍金和尤里米尔纳，推出了一个比较现实的低光速光帆飞船方案，名为“突破摄星”。根据设想，该光帆飞船计划，能够达到至少15%光速。具体来说，霍金设想的光帆飞船，只需要10平方米的光帆，但整个风帆必须比羽毛还轻，光帆加探测器不超过1克，光帆厚度不超过100纳米。光帆通过传统火箭发射到太空展开，然后由地面的强大激光阵列照射，飞向比邻星。

由于飞船无法减速，所以霍金设想一次性制造上百个，乃至上千个这种光速飞船，排队射向比邻星，然后抓住窗口期排队探测。根据霍金的初步估算，整个计划启动资金需要1亿美元，全项目成本，也只有100亿美元左右。尽管摄星计划所需要的光帆材料，在技术上依然不可思议。不过现在我们已经有些成果，美国布朗大学和荷兰代尔夫特理工大学的研究团队，已经开发出一种直径为60毫米、厚度仅为200纳米，将来有望扩展到米级的原型光帆。事实上，如果使用电子束光刻等纳米精加工技术，目前技术可以实现50纳米的氮化硅膜加工制造，只是成本问题，仍有待解决。

当然光帆除了足够轻，还要足够坚固，否则强激光照射，光帆本身很容易解体。这就凸显出中国科学院沈阳团队研究成果的重要性，光帆想要飞得快，还飞的稳，框架也非常重要。而沈阳团队设计的轻质量高强度复合材料，虽然目前具体数据不得而知，但从“可以为太阳帆结构提供技术支持”来看，沈阳团队制造的新复合材料，对于未来光帆飞船走入实用化，提供了坚实的基础。并且光帆飞船所需的大功率激光，我们也是领域内的佼佼者。早在2004年，我国就已突破100太瓦激光大关，但是时间非常短，仍不实用。不过，100千瓦的激光发射器，主要强国都已突破。一步一个脚印，尽管100太瓦激光发射器，仍然任重而道远，但就像可控核聚变一样，问世只是时间问题而已。虽然，我们现在仍是仰望星空的渺小种族，然而可以想象，终将有一天，悬挂着大面积的太阳能光帆，由激光或者太阳能加速的低光速太空飞行器，将带着人类的梦想，飞往一个又一个遥远的星系，在宇宙中留下属于人类文明的足迹。