石墨烯材料應用在光束推進飛船

石墨烯材料應用在光束推進飛船

北京時間10月19日消息，據國外媒體報道，我們現在已經發現了大量系外行星，而一旦我們得以區分出其化學組成，那時我們或許將會嘗試派出恒星際飛行器前往實際查看一探究竟，尋找生命存在的最佳候選星體。
　　但是夢想歸夢想，當你考慮進行一次這樣的考察之旅將會耗費多少能量時，你就會感到大吃一驚。或許在遙遠的未來真的會出現非常先進的，現在無法想象的推進技術，但是在這里，我們仍然使用基于牛頓物理的“作用-反作用”引擎為基礎進行討論。

　　不管采用何種推進方式，核聚變推進，反物質推進，甚至黑洞借力推進，飛船本身都必須攜帶大量的燃料。然而這樣做就會極大地增加飛船自身的重量，從而讓加速或減速時需要耗費的能量隨之大幅上升。

　　解決這一難題的方法或許就是，在地球附近制造出大量的能量，并將能量束瞄準飛行中的飛船。想象一下，這就像是用花園里澆花的軟管沖刷一張樹葉。在這種情況下，樹葉的質量僅僅占到軟管或水體質量的很小一部分。來自研究公司“微波科學”的詹姆斯·本福德(James Benford)寫道：“這是唯一一種不存在物理學障礙的恒星際飛行模式。”

　　在上世紀80年代中期，物理學家羅伯特·富沃德(Robert Forward)首先提出借助從地球發出的能量束實現星際飛行的方案。這一理論后來經過了進一步發展，甚至給出了使用激光進行反向減速的方案，從而使其能夠順利進入另一個太陽系。巨型微波發射器的精度不如經過校準后的激光光束，但是它們的建造成本更低。這其中的關鍵點就在于，飛船必須要在由于微波長時間照射而變得過熱之前獲得足夠的加速度。

　　本福德目前正在自己的實驗室中對這種“光束推進”技術方案進行基本的測試工作。實驗的結果顯示，采用寬闊的圓錐形“船帆”似乎是效果最好的。當然這個船帆以及飛船本身都必須使用質量非常輕的材料制作而成，比如納米碳管，石墨烯和鈹等等。這些材料必須可以經受2000華氏度(約合1093攝氏度)的高溫炙烤，這種高溫是由射來的能量束造成的。這就要求這些材料具有極好的反射性能，能盡量少的吸收這些熱量。

　　而用于發射這束超級能量束的發射器將是一個巨大的天線，耗資將會十分驚人。根據本福德的估算，建造一個可用于發射一輛卡車般大小載荷的能量束發射裝置將耗資180萬億美元，并且每執行一次任務還需要額外花費5000億美元。但是盡管這些數額聽上去大得嚇人，但是事實上，相比建造一艘自行推進的恒星際飛船，這樣的花費仍然是相對較便宜的。

　　除此之外，由于這一巨型發射裝置是被安裝在地球上或是近地空間，因此可以對其相對方便地進行后勤維護保養，因為畢竟你在其它星球上可找不到可以維修的停泊港。并且這一系統很大程度上是可以承受失敗的，因為如果有一個探測器壞了，我們只要直接另外在能量束上放置一個新的來替換就好了。

　　本福德表示，這項技術最先可以被用于在太陽系內進行測試，比如用于為在火星上執行任務的宇航員們傳輸重要的部件或藥品。當被“射出”之后，這些載荷的飛行速度就將可以達到每小時100萬英里(約合160萬公里)左右。而當載荷抵達火星時，激光或大氣減速系統將讓其進入火星軌道。這樣的物品傳輸時間將低于兩個星期。

　　根據本福德的估算，作為一個先導項目，向距離地球約1光年的奧爾特云發射探測器，我們將需要建造一臺24吉瓦(GW)功率，直徑為2英里(約合3200米)的發射天線，其耗資約為1440億美元。而其可以發射的載荷重量約為150磅(約合68公斤)其中一半的重量是它翼展半英里(約合805米)長的“船帆”。在發射后5小時內，這顆探測器就將被加速到每小時14萬英里(約合22.5萬公里)的極高速度。

　　一艘真正的恒星際飛船，一艘可以以大約1/10的光速在大約40年內飛抵距離我們最近的半人馬座α星的飛船，其重量將大約為數噸，除非其大量使用超輕質的納米技術材料建造。對此，前美國宇航局局長丹尼爾·戈爾丁(Dan Goldin)表示，該技術將把恒星際距離縮減至一個濃湯罐頭那么近。不過，你將需要建造一臺功率為300太瓦(TW)，直徑60英里(約合96.5公里)的巨型發射天線來推動它！其電力消耗量將相當于目前全世界每天總耗電量的20倍。這樣一艘探測器必須可以快速加速，以免自己的船帆被蒸發掉。因此其加速度將達50個G，因此先不要幻想著搭乘這艘飛船去做星際旅行，因為你會被輕而易舉地壓成一個薄餅。

　　借用美國偉大的天文學家卡爾·薩根在其1985年撰寫的科幻小說《超時空接觸》中的一個想法。想象一個宇宙中的高級文明正向我們傳輸著建造恒星際能量束推進飛船的藍圖樣本。它將幫助我們向他們所在的星系發射飛船，并最終抵達那里。這樣一種恒星際飛行方式或許將是兩個宇宙文明之間相互交換“物理物件”的唯一可行辦法。我們或許會向他們傳送各種地球生物的DNA樣本，然后，想象一下，或許三體人就能在他們的星球上復制一個圣迭戈動物園了。

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