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(ti) 報道，我們(men) 現在已經發現了大量係外行星，而一旦我們(men) 得以區分出其化學組成，那時我們(men) 或許將會(hui) 嚐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(ti) 。
　　但是夢想歸夢想，當你考慮進行一次這樣的考察之旅將會(hui) 耗費多少能量時，你就會(hui) 感到大吃一驚。或許在遙遠的未來真的會(hui) 出現非常先進的，現在無法想象的推進技術，但是在這裏，我們(men) 仍然使用基於(yu) 牛頓物理的“作用-反作用”引擎為(wei) 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(hui) 極大地增加飛船自身的重量，從(cong) 而讓加速或減速時需要耗費的能量隨之大幅上升。

　　解決(jue) 這一難題的方法或許就是，在地球附近製造出大量的能量，並將能量束瞄準飛行中的飛船。想象一下，這就像是用花園裏澆花的軟管衝(chong) 刷一張樹葉。在這種情況下，樹葉的質量僅(jin) 僅(jin) 占到軟管或水體(ti) 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(xie) 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(cong) 地球發出的能量束實現星際飛行的方案。這一理論後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(cong) 而使其能夠順利進入另一個(ge) 太陽係。巨型微波發射器的精度不如經過校準後的激光光束，但是它們(men) 的建造成本更低。這其中的關(guan) 鍵點就在於(yu) ，飛船必須要在由於(yu) 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(ge) 船帆以及飛船本身都必須使用質量非常輕的材料製作而成，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。

　　而用於(yu) 發射這束超級能量束的發射器將是一個(ge) 巨大的天線，耗資將會(hui) 十分驚人。根據本福德的估算，建造一個(ge) 可用於(yu) 發射一輛卡車般大小載荷的能量束發射裝置將耗資180萬(wan) 億(yi) 美元，並且每執行一次任務還需要額外花費5000億(yi) 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，由於(yu) 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後勤維護保養(yang) ，因為(wei) 畢竟你在其它星球上可找不到可以維修的停泊港。並且這一係統很大程度上是可以承受失敗的，因為(wei) 如果有一個(ge) 探測器壞了，我們(men) 隻要直接另外在能量束上放置一個(ge) 新的來替換就好了。

　　本福德表示，這項技術最先可以被用於(yu) 在太陽係內(nei) 進行測試，比如用於(yu) 為(wei) 在火星上執行任務的宇航員們(men) 傳(chuan) 輸重要的部件或藥品。當被“射出”之後，這些載荷的飛行速度就將可以達到每小時100萬(wan) 英裏(約合160萬(wan) 公裏)左右。而當載荷抵達火星時，激光或大氣減速係統將讓其進入火星軌道。這樣的物品傳(chuan) 輸時間將低於(yu) 兩(liang) 個(ge) 星期。

　　根據本福德的估算，作為(wei) 一個(ge) 先導項目，向距離地球約1光年的奧爾特雲(yun) 發射探測器，我們(men) 將需要建造一台24吉瓦(GW)功率，直徑為(wei) 2英裏(約合3200米)的發射天線，其耗資約為(wei) 1440億(yi) 美元。而其可以發射的載荷重量約為(wei) 150磅(約合68公斤)其中一半的重量是它翼展半英裏(約合805米)長的“船帆”。在發射後5小時內(nei) ，這顆探測器就將被加速到每小時14萬(wan) 英裏(約合22.5萬(wan) 公裏)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(nei) 飛抵距離我們(men) 最近的半人馬座α星的飛船，其重量將大約為(wei) 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(ge) 濃湯罐頭那麽(me) 近。不過，你將需要建造一台功率為(wei) 300太瓦(TW)，直徑60英裏(約合96.5公裏)的巨型發射天線來推動它！其電力消耗量將相當於(yu) 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(ge) G，因此先不要幻想著搭乘這艘飛船去做星際旅行，因為(wei) 你會(hui) 被輕而易舉(ju) 地壓成一個(ge) 薄餅。

　　借用美國偉(wei) 大的天文學家卡爾·薩根在其1985年撰寫(xie) 的科幻小說《超時空接觸》中的一個(ge) 想法。想象一個(ge) 宇宙中的高級文明正向我們(men) 傳(chuan) 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(men) 向他們(men) 所在的星係發射飛船，並最終抵達那裏。這樣一種恒星際飛行方式或許將是兩(liang) 個(ge) 宇宙文明之間相互交換“物理物件”的唯一可行辦法。我們(men) 或許會(hui) 向他們(men) 傳(chuan) 送各種地球生物的DNA樣本，然後，想象一下，或許三體(ti) 人就能在他們(men) 的星球上複製一個(ge) 聖迭戈動物園了。

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