仅需6秒就能到达月球,利用太阳光做动力,光帆飞船有多厉害?
天文望远镜目前能看到135亿光年外的星系,并且这个纪录可能在不久后还会被刷新。
除此之外,我们还发现了宇宙中许多奇特的天体,它们有着人类难以理解的特性,还有的天体和地球非常相像,生态环境十分宜居,如果以后地球不再适合人类生存,我们似乎不用担心该去往何处的问题。
但以上所有的探测活动,也只能基于望远镜来查看,换到能够实地勘察的探测器,我们甚至连太阳系都走不出去,比如目前行程最远的探测器是旅行者一号,它和地球的距离已经达到了235亿公里。
但太阳系的直径大约为2光年,按照这样的速度,旅行者一号还要17571年才能飞出太阳系。
如果不能在探测器的速度上取得巨大突破,人类将难以开展对宇宙的深空探测,未来的星际航行更是天方夜谭,即便我们有上万年的时间等待探测器到达目的地,探测器也会半路耗尽能源然后和地球失联。
人类不可能永远活动在太阳系,向更广阔的宇宙进发是未来的大势所趋,因此提升探测器的速度就成了当务之急,只有这样才能最大限度的节省时间和能源,随着科技的发展,科学家逐渐意识到,太空中就有源源不断的能量。
早在四百多年前,天文学家开普勒就曾设想过光能的利用,他发现彗星流浪在太阳周围时,彗尾始终是背向的太阳的,开普勒推测可能是太阳发出了某种能量,让彗星能源源不断的获得动力。
假如人类也能利用这种动力,星际航行岂不是会简单许多?
虽然我们现在知道彗星的飞行和太阳神秘的动力没有什么关联,但科学家确实发现了太阳的确存在一种能量,或许能帮助我们在太空中航行。
这种来自太阳的能量叫做光压,1784年时欧拉就提出了这个想法,不过直到1901年才由俄国物理学家列别捷夫首次测量出来,太阳会发光,这些光实际上由一个个光子组成,虽然它们的质量很小,但照射到物体时仍然会有推动力,会对物体表面产生光压。
我们在晒太阳时,也在不停的承受光压。只不过人体面积比较小,一个成年人承受的光压仅有1毫克左右,考虑到空气阻力和其他因素,这点光压完全可以忽略不计,但如果有足够大的面积承载光压,并将它放到没有干扰的真空下,此时的推力可能就会大大增加。
基于以上原理,美国于2016年启动了“突破摄星”计划,该计划由著名物理学家霍金和其他几个科学家发起,并获得了美国宇航局的支持和赞助。
研究团队设想了一种质量仅为10克的宇宙飞船,大约只有指甲盖那么大,在飞船内部可以集成配置许多微小但高效的仪器,比如高分辨率相机和自动导航以及通讯设施,飞船的最大亮点在于外部的光帆,它用特殊的材料制成,厚度仅为几百个原子直径的大小。
飞船通过光帆承载光压来获得能量,当光帆完全展开时看上去就像船帆一样,只要受到光线照射就能获得能量持续加速,理论上来说几分钟左右就能加速到每秒数万公里,最终稳定在20%的光速。
按照这样的速度,只需要20年就能到达比邻星。
不过该计划前期所需资金达到了50多亿美元,而当时仅筹集了1亿美元,加上技术在实践方面尚处于起步阶段,最后随着霍金的去世该计划就暂停了。
这样的飞船在实践中还会有许多困难,比如有障碍物该如何规避?
光线在传播过程中的能量损耗也是巨大的,如何才能减少损耗?
以及当飞船处于深空没有光线的盲区时怎么和地球联络等等,其中任何一个问题都是目前难以解决的。
而NASA近日重启了该项目,他们计划研发一种衍射太阳帆,衍射太阳帆中会嵌入更加微小的光栅结构用以改变光线入射角度,从而改变光压最终的动力方向,来解决行进过程中规避障碍物的问题。目前在该研究上已经投入了200万美元。
除了美国之外,我国和日本等多个国家也在同时开展相关研究,日本于2010年发射了耗资3500万英镑的伊卡洛斯号,它的光帆展开后直径为14米,厚度仅为7.5微米,相当于头发丝的十分之一。
总的来看,目前所有太阳光帆的研究都还尚处于起步阶段,未来要解决的困难还有许多。不过只要脚踏实地的向前走,离目标就会慢慢近一些。
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