微波能量束驅動飛船使星際旅行或將成為可能

2012-10-4 12:54:22 | tags | views

 一旦科學家在鄰近的恒星周圍發現適宜居住的行星,并且確定了存在生命的化學信號,那么就會激起我們派遣星際探測器去核實這個存在生命最佳候選者的興趣。就目前來說,當你計算進行星際旅行所需要的能量時,你就會發現該夢想是非常難以實現的。我們暫且拋開奇特的“曲速引擎”(Warp drive)不談,把討論的范圍設定在僅僅利用簡單的作用力-反作用力牛頓第三定律工作的引擎。upload/201210041255208482.jpg

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無論是用核聚變、物質-反物質、甚至是黑洞來驅動,都需要星際飛船隨身攜帶大量的燃料儲備。因此,這就需要更多的能量來對一艘負載燃料的沉重飛船進行加速和減速。

繞過這個難題的方法是在家門口產生大量的能量,然后轉化為能量束直接照射在星際探測器上。可以想象用花園中的水管來驅動水上漂浮的樹葉一樣。樹葉僅僅占水管和噴出水質量的一小部分。

物理學家詹姆士·班佛德(James Benford)寫道“這是進行星際航行唯一沒有物理問題的方法”

早在上世紀80年代中期,物理學家羅伯特·福沃德 (Robert Forward)提出了一種利用來自地球上的能量束來驅動星際航行的方案。福沃德甚至描述了如何利用激光束來對探測器進行反推減速而進入一個恒星系統。雖然巨大的微波發射器不能夠像準直激光束那樣精確地射向飛船,但是建設費用更加便宜。

班佛德在實驗室開展了利用微波來測試“能量束驅動”(beam-riding)的基本原理。他發現一種圓錐形狀的太空帆看起來工作的最好。太空帆和探測器需要利用極其輕質的材料來建造,如碳納米管、微桁架、石墨烯以及鈹元素等。而且需要承受來自高強能量束產生的2000華氏度高溫。這就要求太空帆的表面有極高的反射率,吸收很少的光子。

這樣的定向能束發射器需要巨大的投資來建設,它將是一部巨大的高耗能發射天線。根據班佛德的估計,建設一個用來驅動卡車大小負載的星際發射系統需要耗資180萬億美元。每一次星際飛行任務需要耗資5000億美元。但這樣的方案仍比建造自我驅動的星際飛船更加便宜。

更重要的是,位于地球或是地球附近的發射系統能夠更方便的進行維護,畢竟你不會在飛往半人馬座α的星際航行中找到修復飛船的材料。以這樣的方式進行星際飛行非常皮實,因為一旦探測器失敗,立即可以從生產線上拿出一個新的進行替換。

班佛德說道,微波束驅動或許首先可以用在太陽系內部進行物質運輸,如向火星殖民地運送設備、藥品等。攜帶載荷的太空帆可以在數小時內加速到100萬英里每小時。一旦到達火星,可以利用減速發射器或氣動減速進行制動進入火星軌道。整個飛行過程僅僅耗時不到2個星期。

班佛德估計,一個飛往奧爾特云彗星(Oort cloud of comets)的使命(大約1光年遠),需要建造一個2400萬千瓦直徑達2英里的天線,耗資大約在1440億美元。搭載的有效載荷大約150磅,是直徑0.5英里太空帆重量的一半。在經過5個小時的微波束照射后,探測器可以被加速到14萬英里每小時。

一艘以光速的十分之一飛行并能夠在40年內抵達我們的鄰居——半人馬座α星系的飛船,重量將會有數噸(除非使用最先進的納米材料)。前美國宇航局局長丹尼爾·戈爾丁(Dan Goldin)曾經提到要減小星系探測器的體積到一個罐頭盒大小。要命的是,從一個直徑60英里的天線發出的3000億千瓦的波束僅僅是為了驅動這么個小東西。這將相當于全球消耗電功率的20倍。

這種探測器需要快速的加速以免帆面遭到氣化。加速度因此要到達地球表面重力加速度的50倍(50g),因此不要計劃可以在上面閑庭信步,你將會被壓成餡餅。

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