石墨烯材料應(yīng)用在光束推進(jìn)飛船
石墨烯材料應(yīng)用在光束推進(jìn)飛船
北京時(shí)間10月19日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，我們現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量系外行星，而一旦我們得以區(qū)分出其化學(xué)組成，那時(shí)我們或許將會嘗試派出恒星際飛行器前往實(shí)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(dāng)你考慮進(jìn)行一次這樣的考察之旅將會耗費(fèi)多少能量時(shí)，你就會感到大吃一驚。或許在遙遠(yuǎn)的未來真的會出現(xiàn)非常先進(jìn)的，現(xiàn)在無法想象的推進(jìn)技術(shù)，但是在這里，我們?nèi)匀皇褂没谂ｎD物理的“作用-反作用”引擎為基礎(chǔ)進(jìn)行討論。
不管采用何種推進(jìn)方式，核聚變推進(jìn)，反物質(zhì)推進(jìn)，甚至黑洞借力推進(jìn)，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(shí)需要耗費(fèi)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(zhǔn)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(zhì)量僅僅占到軟管或水體質(zhì)量的很小一部分。來自研究公司“微波科學(xué)”的詹姆斯·本福德(James Benford)寫道：“這是唯一一種不存在物理學(xué)障礙的恒星際飛行模式。”
在上世紀(jì)80年代中期，物理學(xué)家羅伯特·富沃德(Robert Forward)首先提出借助從地球發(fā)出的能量束實(shí)現(xiàn)星際飛行的方案。這一理論后來經(jīng)過了進(jìn)一步發(fā)展，甚至給出了使用激光進(jìn)行反向減速的方案，從而使其能夠順利進(jìn)入另一個(gè)太陽系。巨型微波發(fā)射器的精度不如經(jīng)過校準(zhǔn)后的激光光束，但是它們的建造成本更低。這其中的關(guān)鍵點(diǎn)就在于，飛船必須要在由于微波長時(shí)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(shí)驗(yàn)室中對這種“光束推進(jìn)”技術(shù)方案進(jìn)行基本的測試工作。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，采用寬闊的圓錐形“船帆”似乎是效果最好的。當(dāng)然這個(gè)船帆以及飛船本身都必須使用質(zhì)量非常輕的材料制作而成，比如納米碳管，石墨烯和鈹?shù)鹊?。這些材料必須可以經(jīng)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(fā)射這束超級能量束的發(fā)射器將是一個(gè)巨大的天線，耗資將會十分驚人。根據(jù)本福德的估算，建造一個(gè)可用于發(fā)射一輛卡車般大小載荷的能量束發(fā)射裝置將耗資180萬億美元，并且每執(zhí)行一次任務(wù)還需要額外花費(fèi)5000億美元。但是盡管這些數(shù)額聽上去大得嚇人，但是事實(shí)上，相比建造一艘自行推進(jìn)的恒星際飛船，這樣的花費(fèi)仍然是相對較便宜的。
除此之外，由于這一巨型發(fā)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(jìn)行后勤維護(hù)保養(yǎng)，因?yàn)楫吘鼓阍谄渌乔蛏峡烧也坏娇梢跃S修的停泊港。并且這一系統(tǒng)很大程度上是可以承受失敗的，因?yàn)槿绻幸粋€(gè)探測器壞了，我們只要直接另外在能量束上放置一個(gè)新的來替換就好了。
本福德表示，這項(xiàng)技術(shù)最先可以被用于在太陽系內(nèi)進(jìn)行測試，比如用于為在火星上執(zhí)行任務(wù)的宇航員們傳輸重要的部件或藥品。當(dāng)被“射出”之后，這些載荷的飛行速度就將可以達(dá)到每小時(shí)100萬英里(約合160萬公里)左右。而當(dāng)載荷抵達(dá)火星時(shí)，激光或大氣減速系統(tǒng)將讓其進(jìn)入火星軌道。這樣的物品傳輸時(shí)間將低于兩個(gè)星期。
根據(jù)本福德的估算，作為一個(gè)先導(dǎo)項(xiàng)目，向距離地球約1光年的奧爾特云發(fā)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(fā)射天線，其耗資約為1440億美元。而其可以發(fā)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(fā)射后5小時(shí)內(nèi)，這顆探測器就將被加速到每小時(shí)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(nèi)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(shù)噸，除非其大量使用超輕質(zhì)的納米技術(shù)材料建造。對此，前美國宇航局局長丹尼爾·戈?duì)柖?Dan Goldin)表示，該技術(shù)將把恒星際距離縮減至一個(gè)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(fā)射天線來推動它！其電力消耗量將相當(dāng)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(fā)掉。因此其加速度將達(dá)50個(gè)G，因此先不要幻想著搭乘這艘飛船去做星際旅行，因?yàn)槟銜惠p而易舉地壓成一個(gè)薄餅。
借用美國偉大的天文學(xué)家卡爾·薩根在其1985年撰寫的科幻小說《超時(shí)空接觸》中的一個(gè)想法。想象一個(gè)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(jìn)飛船的藍(lán)圖樣本。它將幫助我們向他們所在的星系發(fā)射飛船，并最終抵達(dá)那里。這樣一種恒星際飛行方式或許將是兩個(gè)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(fù)制一個(gè)圣迭戈動物園了。
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