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霍金遗愿实现在望:“突破摄星”飞行器即将“乘光”飞往半人马座α星

2018-08-23 17:08:28 来源: 前瞻网 作者:
摘要: 今天离人类首次踏上月球,已经隔了近50年之久,科学家们也早已定下了下一个目标——探究宇宙中的其他生命。在遍寻太阳系未果后,这群人类精英把目光

今天离人类首次踏上月球,已经隔了近50年之久,科学家们也早已定下了下一个目标——探究宇宙中的其他生命。在遍寻太阳系未果后,这群人类精英把目光转向了太阳系外。

在霍金生前提出的“突破摄星”(Breakthrough Starshot)项目中可谓群英荟萃,俄罗斯亿万富翁出钱、NASA埃姆斯研究中心出人出力,2个互相不待见的国家,难得地在涉及全人类未来的大事上携手合作。

他们把首个目标放在半人马座阿尔法星系上,准备向其发射数百个微型航天器,检查上面是否有生命迹象。这个星系是距离太阳最近的恒星系统,在我国南方部分地区,有时候仅凭肉眼,就能看到从这里发出的星光。即便如此,这仍是一个巨大的工程挑战,需要在航天器设计、推进和通信技术方面取得巨大飞跃。如果说这是个长途旅行,Space X将人类送上火星的尝试,就和在小区散步差不多。

突破摄星

(各星系、星球间的距离,注意下方单位,图片来源于Futurism)

但如果“突破摄星”成功,大概在30-40年后,我们就能收到4光年以外陌生星系的快照,这大致相当于我们前往太阳系边缘的冥王星6800次。

“这是在解决人类一个基本问题:我们是孤独的吗?”项目执行董事、NASA埃姆斯研究中心负责人沃登(S. Pete Worden)表示,“如果我们在附近的恒星系统中找到一颗有生命的行星,将成为有史以来最重要的发现之一。” 届时,我们也能更好地了解,生命在宇宙中是多么稀有珍贵。

和人们熟悉的、动辄要靠载重数十吨的重型火箭发射的探测器不同,“突破摄星”并不会动用这些庞然大物。例如,美国宇航局的新地平线星际探测器重达半吨多一点。取而代之的是,“突破摄星”计划使用一个巨大的地基激光阵列,推动超轻型宇宙飞船的舰队达到超快速度。这些宇宙飞船的直径可能只有3到12英尺,相较于NASA准备发射的半吨重“新地平线”星际探测器,它的重量可以忽略不计。

它们的速度更是快得疯狂,一艘“突破摄星”宇宙飞船可以以光速五分之一——1.34亿英里每小时——的速度飞行,仅需在20年多一点,就能到达半人马座阿尔法星系的3颗恒星范围内。相比之下,“新地平线”要花9年半的时间,才能到冥王星。到达半人马座阿尔法星系,这些飞行器将疯狂拍照,然后用4年多的时间传回地球。

在1962年激光技术出现不久时,科学界就提出了“突破摄星”的技术构想。物理学家福尔斯(Robert Forward)提出,可以用激光照射反射帆来推动宇宙飞船前进。而到了8年前,日本的Ikaros宇宙飞船在我们的太阳系中测试了光帆推进,尽管太阳光的光压只能提供0.1G的加速度。

该项目之所以突然引人注目了起来,是因为电脑和智能手机科技电子产品的微型化研究,让科学家看到新型航空器研发的希望。他们计划制造一种“纳米仪器”,质量只有1克,和一枚回形针差不多。,但是这足以将光帆、相机和传感器等组件容纳于内。这些传感器可以测量磁场,从而保护行星不受辐射的影响,还可以探测到可能表明存在生命的特定波长的光。

根据初步计划,这些飞船前往半人马座阿尔法星系3颗恒星之一的比邻星,在其周围相对温暖的宜居带寻找1颗行星。不过,详细计划将随着实际发射日期的临近而调整。

“突破摄星”计划最初设想,在一个1-4米宽的平板光帆上布置微型电子装置,不过,研究人员改变了注意,转而研发一种大小相近、镶嵌着电子器件的球形光帆,直观来说,它就像一个巨大的乒乓球,配备有计算机,还装有朝着不同方向的摄像机。

突破摄星

(图片来源于网络)

这种飞行器采用先进的激光光压作为动力,解决了人类探索太空面临的最大问题。现在的火箭载重越来越大,但它们载的最重的东西,其实还是自重,其中,燃料重量就占了很大一部分。想象一下,你打算驱车6000英里穿越美国,路上却没有加油站,你需要一个巨大无比的油箱,一次性带上所需燃料。但是,油箱越大、载油越多,车辆行驶时需要的动力就越大,耗油也越多。这是人类星际旅行面对的主要问题。

“突破摄星”绕开了这个问题,围绕地球运行的母船放出纳米飞行器后,将由地球上射出的激光将推动飞行器的光帆,让它们高速冲向半人马座阿尔法星。

“使用地球光束的美妙之处在于,宇宙飞船完全不用携带燃料,”科罗拉多矿业学院教授索尔斯(George Sowers)说,作为“新地平线”探测车运载火箭阿特拉斯V号的总工程师,他对此深有体会。他说,激光发射可以把你从“火箭方程式的暴政”中解放出来。

激光系统将大量的光集中照射在一艘纳米飞行器上,只需几分钟,就能赋予它惊人的60000G加速度,之后,其飞行速度将远远超过人类建造的任何其他飞行器。以这种速度驾驶飞机,飞行员能在三分之二秒内绕地球赤道一周。

该项目已经渡过初期阶段,主要资金开始集中在将物理学理论成就转化成工程结果。沃登和哈佛大学天文系主管、突破摄星顾问委员会领导人勒布(Avi Loeb)都认为,在任何一架纳米飞行器飞向太空之前,有3大问题需要解决。

首先,工程人员需要造出功率够大、价格够便宜、相互紧密又足够连接的激光阵列,使数百万台设备可以像单台一样稳定;在短暂的功率输出巅峰,总功率需要接近1千兆瓦,大约相当于1000座核电站的发电量。幸运的是,激光设备成本正不断下降。“激光功率每20个月翻1番,成本每34个月减半,”勒布说。不过,预期的激光阵列成本仍达到了约100亿美元。

第二个挑战是寻找到合适的光帆材料。巨大的激光束能够推动飞行器高速飞行,意味着其中蕴含着巨大的能量,而接收光束的光帆,将率先经受能量冲击。研究人员需要确保,这种材料在被击中时不会当场灰飞烟灭。“即使只吸收到百分之一的激光能量,它也会烧起来,”勒布说。

第三,将纳米飞行器上的电子组件微型化,固然降低了重量,却又造成了另一个问题:功率太低。研究人员需要找到一种方法,让飞行器用低功率激光器向地球发回信息。目前,“突破摄星”人员给出的方法是,利用加速纳米飞行器的激光阵列,接收返回的激光信号——这是一项艰巨的任务,因为纳米飞行器的信号在经过漫长的距离后会变得十分微弱。

好消息是,既然纳米飞行器又小又轻,每次发射就能发射多架,信号数量的增加可以部分弥补信号强度的下降。“一旦你搭建好了基础设施,就可以每天发射一个飞行器,”Loeb说。“可能有成百上千的飞行器被送往不同的方向。”

当然,这只是3个主要的障碍。除此以外,“突破摄星”团队还密切关注着其他20多个挑战,比如星际尘埃等。当你以五分之一的光速前进的时候,碰到一个氢原子都是大灾难。“可以想象成被一颗微型核弹击中了,”勒布说。

不过,在利用得当的情况下,尘埃造成的温度差实际上可以为纳米飞行器提供能量,而尘埃存在的前部温度较高,而后部的温度较低,航天器和天然气管道传感器已经使用这种技术,称为热电发电机。

另外,鉴于激光技术的先进性和敏感性,政治问题也是不得不考虑的,而且不仅是国际政治,还可能牵涉到星际政治。为“突破摄星”飞行器提供能量的激光,足以将通信卫星蒸发,因此不可能交到某个单独国家手中。沃登预计,国际科学界应该会专门成立一个组织或会议,任何国家都可以对可能损害飞机和卫星的激光发射进行否决。

此外,研究人员还在思考,向宇宙发射激光,是否会无意中向潜在的敌对外星人宣布我们的存在。沃登表现:“在我一开始担任军官时,通常在发射任务之前,我会先试图提前弄清楚那里有什么。”当然,在理想情况下,如果外星科技并未超过我们很多,那他们也很难捕捉到以五分之一光速前进的微型纳米飞行器。

值得一提的是,“突破摄星”和其他大型太空项目最大的不同在于资金来源。该项目最初的1亿美元启动资金来自俄罗斯符号尤里·米尔纳(Yuri Milner)。在成为一名成功投资人之前,米尔纳学习过理论物理学。大金主对科学的热情,可能让“突破摄星”项目避免重蹈超导超级对撞机(superconductor Supercollider)的覆辙。如果1993年国会没有撤出资金,它可能会发现希格斯玻色子。

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