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星际旅行谈何容易

2010.04.19

我们的这个银河系包含约10的11次方(1011)颗恒星。那么现实生活中能实现去别的恒星旅行吗?

为什么计划星际旅行?

一些理由是具有科学性的。在最近的几年中,天文学家在我们的银河系中发现了200多个围绕恒星运行的行星。在那些地方是不是有智能生物存在呢?上述行星的发现重新又引起了人们对“普通生物如何能在宇宙中生存”这个问题的兴趣。然而,要证明其他围绕别的恒星旋转的行星上是否有生命存在谈何容易。了解它们的生物学和演化史的详细内容也是不可能的,除非我们有一天能够拜访那些行星,直接观察它们。

先锋号和旅行者号星际飞船

到目前为止,世界上已经有4艘人造宇宙飞船行驶在探索其他恒星的途中,它们是:先锋1号、先锋2号、旅行者1号和旅行者2号,它们发射于20均世纪70年代,原用于研究我们的太阳系的外层行星。现在它们却直指其他恒星。然而,除了太阳外,离我们最近的恒星———人马座a星,距离是4.2光年,以这些飞行器现在的速度(大约每秒10公里),它们到达该恒星也得花12万年时间,并且它们要按直线行进。
如果我们想要在几十年间到达离我们最近的恒星,就要以10%或20%的光速行进,因此这就需要设计一种比先锋号和旅行者号的化学燃料推进器力量要大得多的推进器系统。

核燃料火箭

核燃料是显然可行的,而且到目前星际飞船设计最先进细的研究就采用了这种方法。这就要提到20世纪70年代末期英国星际学会进行的以希腊神话人物代达罗斯命名的计划。其目的就是要利用高新技术,设计一艘自动飞船,能够将无人驾驶的450吨的科学载荷加速到光速的12%。若以这种速度行进的话,到人马座a星只需花36年时间。该推进器则是以氢的两个同位素氘和氚之间的聚变反应为基础。
在该项设计中,将含有氢同位素氘和氚的球丸灌入火箭发动机,它们被一个直线的能量射线所截取,将它们加热并压缩到出现聚变反应所需的高温和密度。所产生的离子气体云,由磁场所导向,用来产生推力。这一设计分为两级,每一级将燃烧两年,之后450吨的载重将以光速12%的速度自由飞行。
然而,为了获得上述速度,则必须要有50000吨的核同位素。拥有这些燃料,我们的飞行器就必须有200米长才行,而且必须要包括一只超大的燃料箱,用来装核燃料球芯块。
有趣的是,自从“代达罗斯研究计划”实施以来,美国已经投入了数十亿美元建设了位于加州的点火设施。从这些研究中得到直接应用于“代达罗斯飞行计划”的核聚变推进器的设施。
“代达罗斯飞行研究计划”想象的飞行器将在太空中建造。如此建造有以下几个原因。第一,该飞行器过于庞大,在地球的引力下难以发射,而且在大气层中给核能火箭点火是极为不可靠的。第二,氦-3(He)是一种稀有的同位素,它必须从木星的富含氦-3的大气层中获得。这样做显而易见是这个计划的目的所在。
另一个与核能火箭相关的主要问题就是,不能随意地停下来。载重5万吨燃料将速度增加到光速的12%,那么就需要同样大的能量才能停下来。这就是说,在第一级时加速到12%光速的“有效载荷”,就不会是450吨的科学有效载荷,而是要增加50000吨有效载荷才能使飞船减速。发射这种火箭需要数百万吨的核燃料,这是完全不切合实际的。
因此,“代达罗斯飞行研究计划”将只会是一次不能减速地在目标恒星边缘飞行,而且这样的效果也只有几个小时。为了扩大在这一时间收集的信息数量,“代达罗斯飞行研究计划”将配置许多的附属探测器,尽可能多地接近各个行星。

反物质火箭

核聚变将少量的聚变核的质量转变成能量。然而,原理上,需要一个能将质量百分百地转化为能的物理过程,也就是说物质与反物质的相互湮灭原理。所有亚原子粒子(反电子和反质子)与它们的“正常”伙伴带的相反的电荷。这些粒子和反粒子都拥有通常的“正”质量,如果它们相撞,就会转化成能量。大多数反物质火箭发动机的设计(严格地讲是假想的)假设,少量反物质将会与更大量的正常物质(一种反应液体)混合。它能通过火箭喷嘴释放膨胀的能量产生推进力。

获得燃料

反物质燃料有两大问题。首先反物质很难储存,尽管从理论上讲,磁场中可能包含它,避免它与普通物质接触直至需要为止。其次,任何反物质在自然界出现(例如宇宙射线)并非单一的粒子可以马上和物质对灭,因此,如果我们要利用反物质,首先就要制造它。
一般说来反物质,可以在核物理实验室中产生出来,但仅仅是少量的反粒子。反物质的生产效率极低———所需产生的能量要比我们从反物质的最终湮灭所获得的能量大1000万倍。这就需要我们建立一个专用的反物质工厂。
现在,让我们假设这种反物质工厂每天0.0001的效率生产。而我们每年投资制造10公斤的反物质需要多少能量呢?相当于目前全世界发电总容量的100倍。显然实现这一愿望还要到遥远的将来。
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来自:yatou_1998  > 讀者&文摘
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