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微波能量束驱动飞船 或能派遣星际探测器到外星

http://www.kexue.com 2012-10-07 07:51:26 腾讯科学  发表评论

科学家认为,利用微波能量束驱动飞船进行星际航行或是唯一没有物理问题的方法"
科学家认为,利用微波能量束驱动飞船进行星际航行或是唯一没有物理问题的方法

虽然巨大的微波发射器不能够像准直激光束那样精确地射向飞船,但是建设费用更加便宜
虽然巨大的微波发射器不能够像准直激光束那样精确地射向飞船,但是建设费用更加便宜

  据国外媒体报道,一旦科学家在邻近的恒星周围发现适宜居住的行星,并且确定了存在生命的化学信号,那么就会激起我们派遣星际探测器去核实这个存在生命最佳候选者的兴趣。就目前来说,当你计算进行星际旅行所需要的能量时,你就会发现该梦想是非常难以实现的。我们暂且抛开奇特的“曲速引擎”(Warp drive)不谈,把讨论的范围设定在仅仅利用简单的作用力-反作用力牛顿第三定律工作的引擎。无论是用核聚变、物质-反物质、甚至是黑洞来驱动,都需要星际飞船随身携带大量的燃料储备。因此,这就需要更多的能量来对一艘负载燃料的沉重飞船进行加速和减速。

  绕过这个难题的方法是在家门口产生大量的能量,然后转化为能量束直接照射在星际探测器上。可以想象用花园中的水管来驱动水上漂浮的树叶一样。树叶仅仅占水管和喷出水质量的一小部分。物理学家詹姆士·班佛德(James Benford)写道“这是进行星际航行唯一没有物理问题的方法”早在上世纪80年代中期,物理学家罗伯特·福沃德 (Robert Forward)提出了一种利用来自地球上的能量束来驱动星际航行的方案。福沃德甚至描述了如何利用激光束来对探测器进行反推减速而进入一个恒星系统。虽然巨大的微波发射器不能够像准直激光束那样精确地射向飞船,但是建设费用更加便宜。班佛德在实验室开展了利用微波来测试“能量束驱动”(beam-riding)的基本原理。他发现一种圆锥形状的太空帆看起来工作的最好。太空帆和探测器需要利用极其轻质的材料来建造,如碳纳米管、微桁架、石墨烯以及铍元素等。而且需要承受来自高强能量束产生的2000华氏度高温。这就要求太空帆的表面有极高的反射率,吸收很少的光子。

  这样的定向能束发射器需要巨大的投资来建设,它将是一部巨大的高耗能发射天线。根据班佛德的估计,建设一个用来驱动卡车大小负载的星际发射系统需要耗资180万亿美元。每一次星际飞行任务需要耗资5000亿美元。但这样的方案仍比建造自我驱动的星际飞船更加便宜。更重要的是,位于地球或是地球附近的发射系统能够更方便的进行维护,毕竟你不会在飞往半人马座α的星际航行中找到修复飞船的材料。以这样的方式进行星际飞行非常皮实,因为一旦探测器失败,立即可以从生产线上拿出一个新的进行替换。班佛德说道,微波束驱动或许首先可以用在太阳系内部进行物质运输,如向火星殖民地运送设备、药品等。携带载荷的太空帆可以在数小时内加速到100万英里每小时。一旦到达火星,可以利用减速发射器或气动减速进行制动进入火星轨道。整个飞行过程仅仅耗时不到2个星期。

  班佛德估计,一个飞往奥尔特云彗星(Oort cloud of comets)的使命(大约1光年远),需要建造一个2400万千瓦直径达2英里的天线,耗资大约在1440亿美元。搭载的有效载荷大约150磅,是直径0.5英里太空帆重量的一半。在经过5个小时的微波束照射后,探测器可以被加速到14万英里每小时。一艘以光速的十分之一飞行并能够在40年内抵达我们的邻居——半人马座α星系的飞船,重量将会有数吨(除非使用最先进的纳米材料)。前美国宇航局局长丹尼尔·戈尔丁(Dan Goldin)曾经提到要减小星系探测器的体积到一个罐头盒大小。要命的是,从一个直径60英里的天线发出的3000亿千瓦的波束仅仅是为了驱动这么个小东西。这将相当于全球消耗电功率的20倍。这种探测器需要快速的加速以免帆面遭到气化。加速度因此要到达地球表面重力加速度的50倍(50g),因此不要计划可以在上面闲庭信步,你将会被压成馅饼。(编译:双螺旋)

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