「破傘」引領我們進入太空

Image copyright
Image caption (圖片來源: Getty Images)

對於我們這些生活在《星際旅行》描述中的宇宙的人來說,2063年4月4日將是偉大的一天。這將是天才火箭科學家季弗蘭·寇克瑞恩(Zefram Cochrane)第一次成功測試曲速引擎的日子。該技術將使太空旅行發生革命性的改變:到時飛船飛行將比光速更快,將我們帶往前所未有的前無古人的地方。瓦肯人(Vulcans)等等神馬都將出現。

同時,曲速引擎,蟲洞和超光速飛船儘管目前只是一個概念。但他們有成為現實的可能,能夠進行彎曲空間,或在太空中尋找捷徑飛行的想法並不是完全天方夜譚,但很少有物理學家願意違背愛因斯坦提出的沒有任何事物傳播的速度能夠快於光速的理論。

那麼,那些想去探索超越我們眼前的宇宙後院的人呢?

Image caption 旅行者1號飛船(Voyager 1)在過去的40年中一直在太空中飄移旅行。(圖片來源: Getty Images)

目前唯一能夠飛到行星,月球和太陽系小行星之外的就是旅行者1號飛船。在撰寫這篇文章時,這個勇敢探索者正在以每秒17公里的速度飛行,已經飛離地球20,083,476,000公里了(12,479,293,426英里)。旅行者1號1977年發射入太空,航天器上配備了70年代的科學儀器、照相機和傳感器,在宇宙中已經飛行了近40年,令人嘆為觀止。

電子帆利用太陽風產生的能量而不是光子作為驅動力

在人類試圖向星際空間發送另一個探測器之前,工程師們希望找到一種更快的到達那裏的方法,理想的情況下,應該是在他們的工作壽命時間範圍內就能到達。

目前有幾個選項可供考慮。一些人贊成使用太陽帆-由太陽的光子的力量推動的巨大的鏡像板。其他人-包括史蒂芬霍金-建議使用在由地球或在軌衛星發射的激光產生的光子束上使用風帆。

美國宇航局工程師布魯斯·維格曼(Bruce Wiegmann)正在嘗試使用一個類似於一把大破傘或者絲狀的水母的推進系統實現星際飛行的可能性。這個概念被稱為電子的,或電子帆的推進器,和一個配備太空探測器的金屬絲形成的風扇。

Image caption 由太陽能驅動的光子可以使航天器進入外太空。(圖片來源: Getty Images)

電子帆利用太陽風的力量而不是光子作為驅動力。這股帶電的粒子流被太陽以每秒大約400公里的速度不斷地噴出。初步研究表明,通過這種風能推動的航天器比配有太陽帆的探測器的速度快三倍。

「從一個緩慢旋轉的航天器裏延伸出一根又長又細的裸露的導線,充滿正電荷,」身處阿拉巴馬州的馬歇爾航天中心NASA的先進概念辦公室(Nasa』s Advanced Concepts Office at the Marshall Space Center in Alabama)的維格曼說。「帶正電荷的電線將排斥太陽風中帶正電荷的離子,推動飛船前進,這就像我們在學校裏玩的磁鐵一樣,同一極性的磁鐵相互排斥。」

「在未來的10-12年中我們可以實施旅行者同類型的任務,」他說。「我們可以在五年或六年內到達冥王星,相當於用最近發射的黎明號(Dawn mission)任務的一半時間,兩年之內可以到達木星。」

這個項目目前面臨一系列問題-密歇根大學的托馬斯.朱步成(Thomas Zurbuchen)說到

實現這個想法並不容易。

「這個項目目前面臨一系列問題,」密歇根大學(University of Michigan)天體物理學教授托托馬斯.朱步成說。

「從太陽發出的大部分能量是光能,」他說。「一個太陽帆的總能量相當於一板巧克力相對於一個足球場的引力,太陽風所能產生的能量只是其的千分之一。」

因此,雖然太陽帆可能是幾百平米的面積,美國宇航局的太空傘則需要達到一個驚人的40公里的直徑才行,相當於一個城市的大小,該飛船且能夠通過類似於美國航空航天局的新航天發射系統和傳統的火箭進行發射。

Image caption 飛船拖曳著飛盤的復古設計;未來的飛船可以從這些精彩的設計上汲取靈感麼?(圖片來源: Getty Images)

朱步成目前正領導一個主要的美國科學小組進行實驗,他們的結論是小衛星,或者稱為立方體衛星適合進行深空的科學探測,且相對於傳統飛船價格極為低廉。但是他還不能完全確認,這些小衛星能夠通過帶電的電線驅動進行飛行。「材料科學方面是非常艱難的,」 朱步成說。「我們製作電線的歷史已經超過了一百年,但是電線仍然易斷裂。

「由於是金屬材質,電線仍然會很沉,」他說。「這些電線質量必須過硬,不然通電之後就會自燃。即便如此,如果他們受到微隕石的撞擊仍然會折斷。」

如果我們可以證明物理上可行,那麼這就僅是一個工程上的挑戰----朱步成

朱步成更傾向於使用太陽帆或核動力推進星際探索器-或者兩者結合使用。但這並不意味著電子傘不可行,只是實施起來更有難度。

維格曼的團隊目前正在開發的基礎工程,他希望能夠通過將電線拴在高空氣球上進行測試。

「我們試圖證明這個技術的可行性,」維格曼的團隊希望在2020年初進行第一次示範任務。「我們也學習其中的物理原理,這樣可以更加清楚太陽風將產生多大的推進力。」

「一切都將要從某處開始,」他說。「我很興奮。如果我們能證明其物理原理,那它就只是一個工程上的挑戰了。」

如果技術可行,那麼未來載有電子風帆的航空飛船將代替旅行者號探索外太空。或者我們可以等待寇克瑞恩發明曲速引擎,將這一切都甩出好幾條街。

請訪問 BBC Future 閱讀 英文原文

更多有關此項報導的內容