星际航行的最佳方式是什么?电帆还是太阳帆?

星际航行的最佳方式是什么?电帆还是太阳帆?

在过去的十年里,我们在太阳系之外发现了数千颗行星,这重新引起人们对太空探索的兴趣,其中包括可能派遣航天器去探索系外行星,考虑到所涉及的挑战,目前人类正在探索一些先进的概念,例如由来已久的光帆概念(如突破性的星空计划和类似的建议)。

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在过去的十年里,我们在太阳系之外发现了数千颗行星,这重新引起人们对太空探索的兴趣,其中包括可能派遣航天器去探索系外行星,考虑到所涉及的挑战,目前人类正在探索一些先进的概念,例如由来已久的光帆概念(如突破性的星空计划和类似的建议)。

然而,近年来,科学家们提出了一个可能更有效的概念,称为由金属丝网组成的电帆,它产生电荷,使太阳风粒子偏转,从而产生动量。在最近的一项研究中,两位哈佛大学的科学家对这些方法进行了比较,以确定哪种方法更适合不同类型的任务。这项研究最近出现在网上,正在被宇航学报审查出版,由佛罗里达理工学院助理教授Manasavi Lingam和Abraham Loeb以及哈佛大学科学教授Frank B.Baird Jr.和理论与计算研究所(ITC)所长分别主持。

光帆的概念由来已久,它包括一艘配备有一大块反光材料的航天器,这种材料利用恒星(恒星风)的辐射压力来随时间加速。这种技术的一个主要优点是它不需要航天器运输自己的燃料供应,而燃料供应通常占航天器的大部分质量。当涉及到星际旅行时,这一点尤为重要,因为达到光速(c)的一小部分所需的反应质量将是巨大的,与反物质推进等概念或依赖于尚未测试(甚至假设)的物理的概念不同,太阳/光帆使用的技术和物理在这一点上已经得到了完全的证明。

另一个优点是光帆可以用太阳辐射以外的方法加速,正如Lingam解释的:“光帆可以被激光阵列或太阳/恒星辐射‘推动’。不管是哪种情况,轻型帆船的主要优点是不需要携带燃料上船,不像化学火箭。这大大降低了航天器的重量,因为化学火箭的大部分重量是由燃料造成的。同样的优势也适用于电动帆。”然而,近年来,这一概念的变化已经发展,如罗伯特·祖布林(Robert Zubrin)和达娜·安德鲁斯(Dana Andrews)于1988年提出的磁帆(magsails)和佩卡·詹胡宁(Pekka Janhunen)于2006年提出的电帆。在前者的情况下,超导回路将产生一个电场,而后者将通过一个小导线帆产生一个磁场,这两个导线都将排斥太阳风。这些概念与传统的太阳帆或光帆有一些显著的不同。正如Lingam所解释的:“电子帆依靠带电的太阳/恒星风粒子(在我们的例子中是质子)通过电场使其偏转而产生的动量传递,而光帆则依靠恒星发出的光子产生的动量传递,因此,恒星的风驱动电帆,而恒星发出的电磁辐射驱动光帆。”

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由行星表面产生的无线电波(红色)驱动的光帆的艺术家插图。来源:M.Weiss/CfA

有趣的是,一些研究人员认为,磁帆是一种可能的方法,可以在光帆接近目的地时减缓它的速度。其中一位研究员是法兰克福歌德大学理论物理研究所的克劳迪斯·格罗斯教授,安德烈亚斯·海因和开尔文·F·龙是蜻蜓计划的主要研究者,蜻蜓计划是一个类似于“突破性星空”的概念。这三个概念都能将恒星发出的辐射转化为动量,但也有各自的缺点。首先,电帆在很大程度上取决于其主星的性质。另一方面,对于M型(红矮星)恒星,由于辐射压力不足以产生足够的速度来逃离恒星系统,光帆在很大程度上是无效的。这是一个问题,因为低质量、超冷的M型矮星占宇宙中绝大多数恒星的比例,占银河系恒星的75%。红矮星与其他种类的恒星相比,也有着难以置信的长寿命,它们可以在主星序中保持长达10万亿年。因此,一个可以使用红矮星系统的推进系统比更长的时间尺度更可取。由于这些考虑,Lingam和Loeb试图确定哪种星际旅行方法(轻帆或电子帆)对于不同级别的恒星——F型(白色)、G型(黄色)、K型(橙色)和M型——更可取。在考虑了每一类的辐射特性后,他们根据突破性星空建立的参数,将航天器的可能质量考虑在内。他们发现,与电帆配对的航天器代表了接近大多数类型恒星的更好的推进手段,而不仅仅是克级航天器。然而,Lingam和Loeb的计算也发现,电帆航天器要达到使星际旅行实用的那种速度需要相当长的时间。

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艺术家对环绕格里斯832的岩石系外行星的画像,格里斯832是一颗距离地球只有16光年的红矮星。来源:ESO/M.Kornmesser/N.Risinger(skysurvey.org)

林格姆说:“相反,如果考虑到由激光阵列(如突破性星空)驱动的光帆,那么就有可能通过光帆直接达到相对论速度(如光速的10%);相反,由恒星风驱动的电子帆的速度仅为光速的0.1%。”。虽然电帆最终能够达到0.1%的光速,从重复接近恒星接近,他们估计这将在10000年的过程中遭遇10000次。Lingam说,“电子帆是进行星际旅行的可行手段。然而,希望使用这种方法的任何技术物种都必须是长寿命的,因为实现相对论速度的整个过程需要大约100万年。如果这些长寿命物种确实存在,电帆代表了一种相当方便和节能的探索银河系的方法。

虽然从宇宙的角度来看,100万年不过是一转眼,但从文明的寿命来看,至少以我们的标准来看,它是难以置信的长。作为一个物种,人类已经存在了大约200000年,并且只记录了它的历史大约6000年。更重要的是,在过去的60年里,我们只是一个太空文明。因此,一个能够被激光加速的帆仍然是我们有生之年探索系外行星最实用的手段。这项研究的另一个含义是,它可以为寻找外星智能(SETI)提供信息。当科学家在宇宙中寻找技术活动的迹象(技术特征)时,他们被迫寻找他们能识别的迹象。

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强大的激光可能是一个很好的方式来宣传我们的存在到其他文明,并寻找一些东西。学分:麻省理工学院新闻

考虑到电子帆的好处,外星文明可能更喜欢这种技术。正如勒布教授解释的那样:“我们的计算表明,先进文明很可能倾向于使用电帆而不是光帆来推进,这种推进是基于恒星以风或辐射的形式自然输出的。然而,如果一个科技文明希望达到一定速度或发射大型货物,而这些货物不能由它们的主星产生的能量推动,那么它很可能有利于光帆,而光帆是由它们的人工产生的光束(如强激光)推动的。这种情况类似于帆船之间的区别,帆船使用的是大自然免费提供的风,而更大或更快的船只则是通过发动机等人工手段推动的。”不幸的是,正如勒布补充说的那样,电帆在很远的距离不容易被探测到,因为它们是由带电的金属网组成的,不会发出任何明显的技术信号。”因此,“他总结说,”SETI应该主要集中在寻找光帆上,因为光帆的光束在发射场附近的帆的边界外泄漏,或者因为它们在接近太阳时反射阳光,就像类似大小的小行星或彗星一样。”

然而,Lingam和Loeb也强调,对于外星文明来说,电子帆可能是一个很有吸引力的选择。除了节能之外,电动帆不受外部影响,因此可以从一个恒星系统到另一个恒星系统而不被注意到。费米悖论的一个可能的解决方案?也许!无论如何,这项研究确实表明,我们目前探索邻近恒星系统的计划应该侧重于强调速度高于寿命的概念。这并不意味着部署可以继续探索宇宙亿万年的电帆或磁帆是一个坏主意,但一个可以在我们有生之年到达另一个恒星系统的任务似乎是目前更好的选择。

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  1. 大坍缩
    大坍缩发布于: 
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    所以以后也有在太空站的帆船了?仔细想想人类科技发展到现在300多年了,不敢想象1000年以后,人类的科技水平了

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