“破伞”引领我们进入太空

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Image caption (图片来源: Getty Images)

对于我们这些生活在《星际旅行》描述中的宇宙的人来说,2063年4月4日将是伟大的一天。这将是天才火箭科学家季弗兰·寇克瑞恩(Zefram Cochrane)第一次成功测试曲速引擎的日子。该技术将使太空旅行发生革命性的改变:到时飞船飞行将比光速更快,将我们带往前所未有的前无古人的地方。瓦肯人(Vulcans)等等神马都将出现。

同时,曲速引擎,虫洞和超光速飞船尽管目前只是一个概念。但他们有成为现实的可能,能够进行弯曲空间,或在太空中寻找捷径飞行的想法并不是完全天方夜谭,但很少有物理学家愿意违背爱因斯坦提出的没有任何事物传播的速度能够快于光速的理论。

那么,那些想去探索超越我们眼前的宇宙后院的人呢?

Image caption 旅行者1号飞船(Voyager 1)在过去的40年中一直在太空中飘移旅行。(图片来源: Getty Images)

目前唯一能够飞到行星,月球和太阳系小行星之外的就是旅行者1号飞船。在撰写这篇文章时,这个勇敢探索者正在以每秒17公里的速度飞行,已经飞离地球20,083,476,000公里了(12,479,293,426英里)。旅行者1号1977年发射入太空,航天器上配备了70年代的科学仪器、照相机和传感器,在宇宙中已经飞行了近40年,令人叹为观止。

电子帆利用太阳风产生的能量而不是光子作为驱动力

在人类试图向星际空间发送另一个探测器之前,工程师们希望找到一种更快的到达那里的方法,理想的情况下,应该是在他们的工作寿命时间范围内就能到达。

目前有几个选项可供考虑。一些人赞成使用太阳帆-由太阳的光子的力量推动的巨大的镜像板。其他人-包括史蒂芬霍金-建议使用在由地球或在轨卫星发射的激光产生的光子束上使用风帆。

美国宇航局工程师布鲁斯·维格曼(Bruce Wiegmann)正在尝试使用一个类似于一把大破伞或者丝状的水母的推进系统实现星际飞行的可能性。这个概念被称为电子的,或电子帆的推进器,和一个配备太空探测器的金属丝形成的风扇。

Image caption 由太阳能驱动的光子可以使航天器进入外太空。(图片来源: Getty Images)

电子帆利用太阳风的力量而不是光子作为驱动力。这股带电的粒子流被太阳以每秒大约400公里的速度不断地喷出。初步研究表明,通过这种风能推动的航天器比配有太阳帆的探测器的速度快三倍。

“从一个缓慢旋转的航天器里延伸出一根又长又细的裸露的导线,充满正电荷,”身处阿拉巴马州的马歇尔航天中心NASA的先进概念办公室(Nasa’s Advanced Concepts Office at the Marshall Space Center in Alabama)的维格曼说。“带正电荷的电线将排斥太阳风中带正电荷的离子,推动飞船前进,这就像我们在学校里玩的磁铁一样,同一极性的磁铁相互排斥。”

“在未来的10-12年中我们可以实施旅行者同类型的任务,”他说。“我们可以在五年或六年内到达冥王星,相当于用最近发射的黎明号(Dawn mission)任务的一半时间,两年之内可以到达木星。”

这个项目目前面临一系列问题-密歇根大学的托马斯.朱步成(Thomas Zurbuchen)说到

实现这个想法并不容易。

“这个项目目前面临一系列问题,”密歇根大学(University of Michigan)天体物理学教授托托马斯.朱步成说。

“从太阳发出的大部分能量是光能,”他说。“一个太阳帆的总能量相当于一板巧克力相对于一个足球场的引力,太阳风所能产生的能量只是其的千分之一。”

因此,虽然太阳帆可能是几百平米的面积,美国宇航局的太空伞则需要达到一个惊人的40公里的直径才行,相当于一个城市的大小,该飞船且能够通过类似于美国航空航天局的新航天发射系统和传统的火箭进行发射。

Image caption 飞船拖曳着飞盘的复古设计;未来的飞船可以从这些精彩的设计上汲取灵感么?(图片来源: Getty Images)

朱步成目前正领导一个主要的美国科学小组进行实验,他们的结论是小卫星,或者称为立方体卫星适合进行深空的科学探测,且相对于传统飞船价格极为低廉。但是他还不能完全确认,这些小卫星能够通过带电的电线驱动进行飞行。“材料科学方面是非常艰难的,” 朱步成说。“我们制作电线的历史已经超过了一百年,但是电线仍然易断裂。

“由于是金属材质,电线仍然会很沉,”他说。“这些电线质量必须过硬,不然通电之后就会自燃。即便如此,如果他们受到微陨石的撞击仍然会折断。”

如果我们可以证明物理上可行,那么这就仅是一个工程上的挑战----朱步成

朱步成更倾向于使用太阳帆或核动力推进星际探索器-或者两者结合使用。但这并不意味着电子伞不可行,只是实施起来更有难度。

维格曼的团队目前正在开发的基础工程,他希望能够通过将电线拴在高空气球上进行测试。

“我们试图证明这个技术的可行性,”维格曼的团队希望在2020年初进行第一次示范任务。“我们也学习其中的物理原理,这样可以更加清楚太阳风将产生多大的推进力。”

“一切都将要从某处开始,”他说。“我很兴奋。如果我们能证明其物理原理,那它就只是一个工程上的挑战了。”

如果技术可行,那么未来载有电子风帆的航空飞船将代替旅行者号探索外太空。或者我们可以等待寇克瑞恩发明曲速引擎,将这一切都甩出好几条街。

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