圖片說明:一幅想象利用激光加速太空航行的藝術作品。Philip Lubin提出的星際旅行設想中,就利用了類似的工作原理加速小型宇宙飛船的長途旅行。圖片來源: Adrian Mann
探尋其他星球或星系一直是人類的夙愿,但是想將夢想變成現實還有很長的路要走。
一位研究人員說,利用強激光作為微型飛行器的動力源,可能會極大地縮短星際間的航行時間,從幾千年縮短為幾十年。
人類的太空旅行受到數學理論的引導和限制。要想在指定的時間內到達太空某處,宇宙飛船的速度必須足夠快。然而,極快的速度也意味著需要更多的推進燃料。大量推進燃料的需求使得飛船加速變得十分困難,如火箭燃料、核聚變燃料還有反物質。
盡管如此,一些研究人員還是找到了突破點,那就是使用太陽能、激光或微波作為推動源。通過太陽光或地面發射的激光束來推動星際飛行器,這樣的話飛行器自身就不用負載推進器了。然而,要想進行一次大規模探測,人類可能需要超強激光以及像德克薩斯州那樣大小的太陽帆。
來自加利福尼亞大學、圣巴巴拉宇宙學實驗研究小組成員Philip Lubin,希望通過小型、超薄外形的飛船來解決這類問題。這一想法贏得了來自美國宇航局創新概念計劃第一階段的撥款。雖然載人星際飛行計劃或許還需很長的路要走,但Lubin認為這并不妨礙我們先向其他星球發射機器人探測器。他說:機器人在探索太陽系過程中完成了大量艱巨的任務,它們已成為人類探索腳步向太空延伸的使者。雖然目前我們還無法將人類送往距離地球最近的恒星,但我們卻有辦法將人類的智慧通過微型機器人探測器傳送到最近的恒星上去。
NIAC第一階段撥款相對較少(約10萬美元),他們鼓勵研究人員為潛在的太空旅行技術構建詳細的計劃。Lubin的理念是一個星際旅行藍圖,詳述了一種微型、激光推進探測器的開發及測試。
Les Johnson是美國宇航局的一名技術人員,同時也是一位科幻小說家,他講述了Lubin的NIAC設想:與其為飛行器配備足夠的能源、體積龐大的推進系統,不如只攜帶體積微小的核心器件,這就是該設想的主導思想。
Lubin說:這些重約一克的探測器,將由地面的激光束推進。它們負載著用于測量的微型傳感器和回傳數據的發射器。由于體積稍大的探測器或者能量稍弱的激光束對太陽系內鄰近星球的探測有重大貢獻,因此整個微型系統的建立可以逐步進行。定向能技術已經得到了很大發展,尤其是美國國防高級研究計劃局(DARPA)對該領域做過詳細的研究。關于推進力,以前認為一臺巨型脈沖激光器是必要的,但是目前看來,借助多個相對能量較小的激光器也是可行的,其能量經放大器放大后也足以帶動小型探測器的太陽帆。在早期的研究中,曾嘗試過利用激光加熱及矯正飛往地球的小行星的軌道。
在地面測試或其他測試中,一旦這個系統的小模型建立,激光列陣就開始逐漸擴大。最大規模的激光系統將采用50至70 吉瓦功率來推動飛行器,這與目前將飛行器送往環地軌道所需功率相當。Lubin所提出的這一激光設置可以將一臺帶有太陽帆(展開寬度為1米)的微型飛行器在十分鐘內的最高運行速度提至光速的26%。
Lubin提出:這類飛行器可以在30分鐘內到達火星,三天內就能趕上旅行者1號(Voyager 1,飛行距離地球最遠的人造飛行器),15年就能到達半人馬座阿爾法星。體積較大的飛行器可能需的加速時間更長,但這個速度已經遠遠超過我們目前的水平。要達到我們預期的目標是極其困難的,但是到目前為止,我們還沒有遇到根本性的挑戰,除了辛勤工作和技術演化,還有什么理由不去努力實現目標呢?
Marc Millis是一名動力物理學家、Tau Zero基金的創始人,同時也是星際飛行研究小組成員。他說:找到一個可行的、可對不同星際進行探索的最終方法是至關重要的。如果你想將某物體傳送得更遠、速度更快的話,物體質量越少越容易實現。針對星際飛行的不同觀點和問題,可以先解決其中的一小部分,總結經驗后,再合理的進行下一步,很顯然,這并不能解決所有問題。因為在這個階段,你能做的只有這些。
為了讓這一系統發揮作用,研究人員必須解決如何才能精確聚焦激光束并引導微型飛行器這一難題,以及如何保證飛行器能夠安全返回地球。此外,建造一個大型的軌道激光器是十分有必要的,其成本效益將在經歷幾次實驗之后顯現。
Johnson也認為Lubin的藍圖中星際旅行的漸進性是有道理的。他說:激光器、反物質、核聚變都可作為推進動力源,但它們都受傳統飛行器的大小以及一些大型設備的影響,可能這些設備我們現在不曾擁有,下個世紀才會擁有。但是在這一點上,只要設備比我們的大就完全能實現,這也意味著距離目標的實現不會太遠。