2022年03月27日 10:10
環球科學
光帆宇宙飛船的藝術想象圖，飛船的光帆被來自地球的激光打成了弧面。圖片來源：Masumi Shibata， courtesy of Breakthrough Initiatives
科幻作品中，我們一般將大型太空飛船編隊稱為宇宙艦隊。而宇宙艦隊的推進方式，也可以參考古代海軍的風帆——不過在太空中，打在帆上的，不再是海風，而是激光束。憑借激光光帆，科學家發現，我們或許真的能讓宇宙飛船加速到光速的20%，20年內就能抵達比鄰星。
撰文 | 王昱
審校 | 白德凡
宇宙實在是太過廣袤，就連科幻片都誕生了一類「太空歌劇」，一個人的生命在「太空歌劇」中往往顯得無足輕重。漫長的旅行時間與人類苦短的壽命之間赤裸裸的殘酷對比，是造成這一宏大史詩感的重要原因。
當前人類尚不能直接給航天器提升多少速度，只能追求用盡可能少的燃料，盡量高效地改變航天器的軌道，最終還是要靠引力決定的軌道進行星際航行。而相應的代價就是，想要抵達哪個天體，需要的時間往往和這個天體的軌道周期正相關。比如想要抵達軌道周期1個月的月球，可能需要飛行3天左右的時間，但想要飛到軌道周期23個月（687天）的火星，航行時間就可能長達200多天。
在太陽系內的旅行尚且如此，星際旅行就更難以讓人想象。注定將會飛出太陽系的新視野號在2006年發射，2015年才抵達冥王星。過長的時間帶來的變數太大，它發射時的使命是探索當時的太陽系第九大行星冥王星。但當它抵達目的地時，冥王星卻已經不再算得上一顆行星了。
星際旅行如果所用時間太長的話，甚至有可能當你趕到目標跟前時，才發現它已經「不那麼重要」了。圖片來源：Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
1977年發射的旅行者1號，更是花了足足35年才飛出太陽系。到現在，飛行了將近45年，距離地球21.5光時（光走過21.5小時的距離）的旅行者1號是距離人類最遠的人造物體。但是距離地球最近的恒星——比鄰星，和我們的距離也有足足4.22光年。劉慈欣在《三體》中描寫的三體人就位於那個星系，但就算是三體人制造的水滴，想要從那裏抵達太陽系，也要花上足足200年的時間——顯然，這比任何人的壽命都要長。
新的推進方法
這一切的根源還是自帶燃料的限制。星際航行沒有外部輸入的情況下，如果想要加速，根據動量守恒，你就必須扔點什麼東西出去。傳統化學火箭可以把燃料燃燒產生的氣體以每秒幾千米的速度向身後噴出。但我們幾乎不可能繼續提升化學火箭氣體噴射的速度了，畢竟化學鍵的能量是有上限的，化學火箭噴射速度最多也就只能達到每秒10千米左右。想要繼續提升燃料的使用效率，工程師還可以用粒子加速器的原理，將燃料粒子加速到極高的速度向後噴射。天宮空間站核心艙上負責調整姿態、維持軌道的霍爾發動機用的就是這樣的技術。
但只要宇宙飛船自帶了燃料，就會有一部分燃料不可避免的被用來給剩餘的燃料加速。那我們能否額外給航天器提供燃料呢？
太陽帆就是這樣的航天器。我們都知道，光具有粒子性，光子是帶有動量的。所以，太陽系內陽光所及之處，都被太陽施加了一個推力。如果我們張開一張很大的反光膜，就能「白嫖」太陽光子的動量給航天器加速。實際上，已經有人這樣做了。2019年6月25日，獵鷹重型火箭搭載LightSail 2發射升空，這個航天器在當年7月23日展開了自己的太陽帆。盡管在部署之後，LightSail 2由於配平等原因隨機翻滾了很久，但團隊最終還是讓它按計劃工作了起來。最終，他們成功測到了LightSail 2被陽光推動的證據。
LightSail 2示意圖，它可以從陽光獲得0.058mm/s²的加速度。圖片來源：The Planetary Society
不過，陽光的力量還是太微弱了。這樣微弱的力別說用來做星際航行，它連700千米高空的空氣阻力都無法克服。根據研究團隊自己公開的數據，LightSail 2無法長期維持自己的軌道高度，隨著軌道一點點降低，它大概會墜落到地球大氣層中。
用激光替代陽光
畢竟，太陽只是無差別的向四面八方輻射能量，我們或許可以用更強的激光，定向給光帆提供動力。而這，就是賓夕法尼亞大學副教授伊戈爾·巴加廷（Igor Bargatin）團隊的想法了。巴加廷教授直截了當地表示：「如果我們想要在有生之年的時間內抵達另一顆恒星，那就需要相對論級別、接近光速的速度。」
他們的論文發表在《納米快報》上。根據論文的描述，他們設想了一種光帆。這張光帆直徑大約3米，厚度卻僅有100納米，質量僅1克。科學家可以從地球上向它發射激光，為其提供動力。就像帆船在大海中航行一樣，強大的光壓會讓光帆呈圓弧形，這能讓光帆更好的分散張力，減小被撕裂的風險。光帆的材料則選用氧化鋁和二硫化鉬，都是比較容易獲取的材料。
根據巴加廷團隊的模擬，這張直徑3米左右的光帆，能搭載一枚芯片大小的探測器，加速到光速的20%左右。雖然荷載只有一枚芯片，聽起來比《三體》中「只送大腦」的「階梯計劃」還要寒磣。不過一想到速度能達到0.2倍光速，比三體人的水滴還要快，似乎也不難接受了。
這個科幻般的場景是俄國富豪尤裏·米爾納突破倡議（Breakthrough Initiatives）的一個子項目所要達成的目標，項目名為突破攝星（Breakthrough Starshot）。2016年，史蒂芬·霍金和尤裏·米爾納曾一起宣布該項目正式啟動。他們的目的就是建造能20年內抵達比鄰星的探測器，因為它是距離我們最近的恒星。
不過，除了距離上的原因外，比鄰星的確處在一個很有趣的系統裏面。就像在《三體》裏寫的一樣，比鄰星處在一個三星系統中，並且它有一顆名為比鄰星b的行星。比鄰星b距離比鄰星很近，比鄰星的恒星活動還非常劇烈。比鄰星b整顆行星就很容易被比鄰星的耀斑烤焦。澳大利亞帕克斯望遠鏡甚至還宣稱在突破聆聽（Breakthrough listen）計劃中收到過來自比鄰星的神秘射電信號，不過這後來被證明是幹擾。
保證散熱
給一個物體簡單粗暴地提供大量的能量，使其達到極高的速度，不是什麼難事。早在1957年8月，美國在核試驗項目Plumbbob行動中進行地下核試驗時，一個鋼質井蓋就被核彈炸上了天。科學家估計這個井蓋的速度超過每秒66千米，甚至有人懷疑它早於蘇聯的斯普特尼克1號（於當年10月4日進入太空），是人類第一個送入太空的物體。不過後來的分析顯示，這個井蓋很可能因為過熱，在飛出地球大氣層之前就已經氣化了。
當然，這樣的激光光帆要承受的能量是太陽光帆的數百萬倍。如果不做好光帆的散熱，那為光帆提供動力的激光源就妥妥變成了一個激光武器，而光帆就會像那個被核彈轟擊的井蓋一樣，瞬間被摧毀。
這就是加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）副教授阿斯瓦特·拉曼（Aaswath Raman）團隊考慮的事情。在發表於《納米快報》的一篇論文中，研究團隊提出了一種「光子晶體設計」的方案。他們認為，光帆必須由許多較小的織物組成，織物的排列必須和廣泛熱輻射的波長相匹配。而對於單塊織物，其上還必須均勻分布著和入射激光波長相匹配的孔洞。這樣，光帆就能在獲得足夠動量的同時，還能充分散熱，避免熔化、解體。團隊成員表示，他們未來將小規模制造這樣的結構，並用高功率激光驗證設計的可行性。
不過，所有人都表示，想要真的實現實用的、能達到20%光速並運送一顆芯片的光帆，可能還需要幾十年的時間。不過至少，已經有人證明，激光光帆在原理上是可行的。巴加廷教授表示：「幾年前，就算是做一些理論上的工作都被認為是不著邊際。現在，我們不僅有了設計方案，並且所用的材料還是在實驗室中實際可用的材料。」
其實，對於星際旅行技術的發展倒也不必非常悲觀。畢竟在1903年，你問剛剛實現動力受控飛行的萊特兄弟，讓他們暢想未來。恐怕他們怎麼也不會想到，僅僅60多年後，阿姆斯特朗就在月球上踩下了人類的一大步。人類登月到現在的50多年間，雖然人類在航天技術上的進展雖然看起來沒有冷戰期間那般瘋狂，但從整體上看，科學從未停下它前進的腳步。
從這個角度來看，星際旅行、激光光帆、20%光速、20年抵達比鄰星，這些充滿科幻色彩的名詞，似乎也不那麼遙遠了。
參考鏈接：
http://www.xinhuanet.com/techpro/2021-04/30/c_1127394313.htm
