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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

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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。

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