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与其坐等未来,不如主动创造未来

——威尔&阿里尔·杜兰特

百年星舰研讨会

每年一度的“百年星舰研讨会(100-Year Starship Symposium)”总能吸引一大票人参加——其中既有货真价实的科学家和研究人员,也不乏夸夸其谈的空想家和业余爱好者。大家凑在一起兴致勃勃地讨论如何在100年内建造一艘星际飞船,实现人类航天器飞出太阳系,探索另一颗恒星的梦想。

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星际探测器

为什么达成这一目标的时间要定在100年内?原因很简单——英国著名科幻小说家赫伯特·乔治·威尔斯的著作《登月第一人》于1901年出版,阿波罗11号飞船1969年成功登月,相隔还不到100年。随着航天科技的加速发展,人类没有理由不对未来报以更高的期望。

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《登月第一人》

可惜每次大会的喧嚣落定之后,似乎并没有留下什么让人印象深刻的东西。与会者提出的方案要么天马行空,不着边际,要么模糊其词,闭口不谈技术细节——这其实很好理解,毕竟人类速度最快的航天器“旅行者一号”经过42年的长途旅行,才飞到271亿公里之外。光跨越这段距离仅需20个小时,而太阳系边缘的奥尔特云有1光年远,距离太阳最近的一颗恒星——半人马座比邻星离我们4.2光年,以旅行者一号的“龟速”到达那里至少要花16,700年

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旅行者一号

迈向宇宙的一大步

2015年的“百年星际飞船研讨会”在美国加州圣克拉拉举行。来自加州大学圣巴巴拉分校的宇宙学家菲利普·鲁宾(Philip Lubin)提出一个颇为大胆的计划——用有史以来最强大的激光器做动力,将只有一枚邮票大小的“纳米帆船”加速到光速的20%,这样只需20年就能飞到比邻星!

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激光束驱动的纳米帆船

满面胡须的鲁宾是一位优秀的演说家,他描绘的宏伟蓝图很快吸引了众人的目光。更重要的是,鲁宾的设想没有任何违背科学原理之处,虽然在工程学方面还面临重大挑战,许多技术细节还需要验证,但假以时日未尝不能实现。

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菲利普·鲁宾

美国宇航局艾姆斯研究中心前主任,“突破计划(Breakthrough Initiatives)”负责人皮特·沃登在与鲁宾会谈后也给予肯定。六个月后,著名物理学家史蒂芬·霍金联合俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳宣布投资1亿美元,启动“突破摄星计划(Breakthrough Starshot)”。霍金在声明中将这一计划称为人类“迈向宇宙的一大步”。

突破摄星计划

“突破摄星”计划的原理非常简单——建造一个由大量高强度激光器组成的阵列,通过锁相(phase lock)装置汇聚为功率高达100千兆瓦的单波束。将激光束引导至等候在地球轨道上的重量不到一克的纳米飞船光帆上,利用光子产生的压力使飞船加速。短短几分钟之内飞船速度可达到每小时1.6亿公里,在20年之内就能抵达比邻星,再用搭载的传感器拍下比邻星附近行星的照片并传回地球。

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突破摄星计划

光帆技术不仅可以帮助人类亲眼目睹系外行星的真容,还能大大缩小太阳系旅行的时空距离。20%光速的纳米飞船一小时之内就能到达火星,到冥王星仅需一天,飞到星际空间只要一周就够了。相比之下,NASA探测器飞抵火星需要9个月,新地平线号飞掠冥王星花了9年,1977年升空的旅行者1号用了15年才突破日球层。即使宇宙飞船速度只提升到光速的2%,相比现在也是巨大的进步。

菲利普·鲁宾

作为“突破摄星计划”的智囊团成员之一,菲利普·鲁宾教授今年66岁,步伐轻快,头发乌黑,外表看上去比实际年龄要年轻许多。

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菲利普·鲁宾在实验室

在接受记者采访时,鲁宾形容自己就像一个严肃而早熟的孩子,对现实世界感到不安,只能从数学和科学中寻找慰藉。在繁琐枯燥的研究中,鲁宾能够体会到一种别样的美。对于他来说,去图书馆读书如同静修一样,是他保持心灵安宁的独特方式

即便如此,年轻时的鲁宾也没想过自己会走上学术之路。他的父亲来自立陶宛,职业是一名邮递员,连高中都没有毕业,母亲出生于俄罗斯,一辈子从事的都是秘书之类的工作。出身于这样的移民家庭,考入常青藤名校似乎是难以想象的事情。但机缘巧合,鲁宾在洛杉矶一名学校辅导员的鼓励下报考了社区大学,并从那里转到加州大学伯克利分校,最终听从教授的建议考入哈佛大学研究生院。回首求学之路,鲁宾半开玩笑称自己就像一个傻瓜。

空间推进技术的革命

今天的鲁宾是一名宇宙学家,虽然本职工作是摆弄各种宇宙背景辐射测量设备,但学术兴趣颇为广泛。在一次防御小行星技术会议上,众人正兴致勃勃地讨论用激光摧毁威胁地球的近地天体,鲁宾却突发奇想,冒出激光推进飞船的念头。

鲁宾认为,人类空间推进技术的发展过于缓慢。今天在役的火箭大多数仍然靠液体燃料驱动,和二战期间的德国V2火箭没有本质区别。相比之下,现代计算机的运算速度比75年前提高了数万亿倍。NASA的SLS超重型火箭研发投入已经超过120亿美元,至今仍未准备就绪。如果航天技术的进步幅度能和信息技术相媲美,类似的重型火箭成本可能早就降低到几分钱

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SLS超重型火箭

要想制造价格如此低廉的宇宙飞船,传统的化学动力驱动明显力不从心,但恒星产生的光子却可以提供我们源源不绝的动力。在太空中遨游的航天器几乎没有任何阻力,只要表面足够光滑,撞击它的光子就会产生微小的推力并使其加速。如果用一束足够强的激光持续照射一艘飞船的“光帆”,就能使飞行器像大海中乘风破浪的帆船一样,速度在短时间内得到巨大提升,最终达到相对论速度——这就是“突破摄星”计划的关键技术之一“光帆推进技术”的原理。

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光帆推进技术

纳米飞船和系外行星

“突破摄星”计划设想发射一艘“太空母舰”进入地球高空轨道,在那里部署大量“纳米飞船”。每个飞船由两部分组成——大小几厘米,重量仅几克的星芯片(StarChip),以及一个展开面积4米X4米的光帆(Lightsail)。部署在地面上的激光阵列将光束聚焦到光帆上,每面光帆接受的能量大约为1万亿焦耳,飞船加速度可达100千米/秒^2

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发射纳米飞船

地基激光阵列由单个功率10千瓦的激光器组成,覆盖面积1平方公里,总输出功率高达100千兆瓦。为了弥补长途星际旅行中与星际尘埃相撞导致的损失,这支“星际舰队”将拥有1000艘微型飞船,它们的最终目标是4.2光年外的比邻星。天文观测显示比邻星附近有一颗和地球大小差不多的行星——比邻星b。按照科学家的设想,人类飞行器将飞到和比邻星b相距1个天文单位(1.5亿公里)的地方,在这个距离飞行器搭载的相机可以捕捉到系外行星表面的高分辨率图像。

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系外行星

三大挑战

菲利普·鲁宾承认,“突破摄星”计划面临诸多难以克服的工程学障碍。比如目前还没有足够强大的激光器产生推进光帆的激光束;其次,工程师还有找到一种轻巧而坚韧的光帆材料,既能反射炽热的光束又不被其摧毁;另外,现有航天器还无法缩小到一枚邮票大小,重量也很难减轻到几克。

目前,研究团队正在探讨如何将直径10厘米的单个激光器构建成庞大的激光阵列,通过相位锁定放大到足够的强度并汇聚为单光束。和天基激光器相比,地基激光阵列成本更低,但也更容易受到大气湍流干扰。这就需要航天器本身返回信号,引导激光束持续照射。

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地基激光阵列

另一方面,光帆的概念几十年之前就已提出,但直到2010年日本“伊卡洛斯”号才展开14平米太阳帆,成功实现靠太阳辐射遨游太空的设想。相比之下,突破摄星微型飞船所承受的绝非温和的“太阳风”,而是人类有史以来最强大激光器制造的“光束风暴”。

为了使十几平米的光帆重量小于1克,其厚度大概相当于几百个原子排列在一起。有“新材料之王”美誉的石墨烯足够致密,力学性能也非常突出,但这种材料不具有反射性,表面必须敷以涂层。金属材料的反射性够强,但重量又不满足要求。考虑到光帆的材质最好兼具透明度和反射性,因此玻璃无疑是最好的选择,但其结构和性能还有待优化。

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光帆

第三个挑战是建造“晶圆级”航天器。人类目前制造的绕地球运行的最小航天器是10厘米见方,约1公斤重的纳米卫星。研究团队希望将航天器进一步小型化,把摄像头、处理器、钚238核电池、通信激光器等元件集成到一枚微芯片上。除此之外,星芯片飞船还必须能够抵御加速冲击力和极端寒冷的太空环境。研究人员虽然已经成功制造出火柴盒大小的航天器原型,但重量有100克,远远无法满足“突破摄星”计划的要求。

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星芯片飞船原型

未来可期

和其他星际项目相比,“突破摄星”计划并不需要物理学理论有重大突破或出现颠覆性创新技术。上述问题即使只解决一部分,对人类科技进步来说都具有革命性意义。比如晶圆级飞船对微电子和通信等领域前沿技术的巨大推动作用;低成本高效率的激光阵列未来可能用于清除太空垃圾;光帆技术的进步将使人造航天器探索太阳系的往返时间从几年缩短至几天甚至几小时。

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那么扬起光帆的人类飞船什么时候能够拜访半人马座比邻星呢?一个目标是2061年,即尤里·加加林进入太空100周年之际,但鲁宾几乎肯定无法看到这一天。对于他来说,解决技术问题的每一步不但为人类开辟前往另一颗星星的道路,还将我们对未知世界的探索一次次推向前沿。与其坐等未来,不如主动去创造未来。也许,这才是“突破摄星”计划的真正意义所在。

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