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磁帆能使星际飞船减缓速度?

【博科园-科学科普】近年来,被证实的外太阳系行星数量突飞猛进。随着每一个新发现,当我们有可能直接探索这些行星的时候,问题就自然而然地出现了。到目前为止,已经有了一些建议,从激光帆驱动的纳米飞行器到半人马座阿尔法星(Alpha Centauri),在短短20年的时间里,到装备有基因实验室的慢速移动的微型飞行器(《创世纪》项目)。

在行星表面产生的无线电波束(红色)驱动的光帆的插图。这些光束扫过天空时的泄漏将会像快速的无线电爆发一样出现,类似于最近在宇宙学距离上发现的新一代的辐射源。图片版权:M. Weiss/CfA

但当涉及到制动这些飞行器时,他们可以放慢速度,研究遥远的恒星和轨道行星,事情就变得有点复杂了。根据一项最近由《创世纪》项目构想的人所做的研究——法兰克福大学理论物理研究所的克劳迪亚斯·格罗斯教授——依靠超导体产生磁场的特殊帆可以用于这个目的。

Starshot和Genesis是类似的,这两个概念都试图利用最近在小型化方面的进步。今天工程师们能够制造传感器、推进器和照相机,能够执行计算和其他功能,但只是较旧仪器的一小部分。在推进方面,有很多选择,从传统的火箭和离子驱动器到激光驱动的轻型帆。

项目Starshot是由突破摄星基金会发起的一项倡议,旨在成为人类的第一次星际航行。图片:breakthroughinitiatives.org

然而,减慢星际任务的速度仍然是一个更大的挑战,因为这样的飞行器不能安装制动推进器和燃料,而不会增加它的重量。为了解决这个问题,Gros教授建议使用磁帆,这将比其他现有方法有许多优势。

经典地说可以用火箭发动机来装备宇宙飞船。正常的火箭发动机,因为我们正在使用它们发射卫星,可以改变速度只有5 - 15公里/秒。甚至只有在使用几个阶段的时候。这还不足以使飞行器在1000公里/秒(0.3% c)或10万公里/秒(c / 3)飞行时减速。聚变或反物质的驱动会有所帮助,但不是很大。

设想的帆将由一个直径约50公里的巨型超导环组成,一旦产生无损耗电流,就会产生磁场。一旦激活后,星际介质中的电离氢将被反射到帆的磁场中。这将会使航天器的动量转移到星际气体中,从而逐渐减慢它的速度。

根据Gros的计算,这将适用于低速航行的航行,尽管星际空间的粒子密度极低,每立方厘米可以达到0.005到0.1个粒子。“磁风帆随时间消耗能量,如果你关掉你的汽车引擎,它会因为摩擦而减速(空气,轮胎)。磁帆也有同样的作用,其中的摩擦力来自于星际气体。

灯塔飞船接近可能适宜居住的系外行星比邻星b。图片版权:PHL @ UPR Arecibo

这种方法的优点之一是可以使用现有技术进行构建。磁帆背后的关键技术是一个Biot Savart回路,当它与高能物理中使用的相同的超导线圈配对时,将会产生一个强大的磁场。使用这样的帆,甚至更重的宇宙飞船——重量达到1500公斤(1.5公吨);3307磅可以从星际航行中减速。

一个大的缺点是这样的任务需要时间。根据Gros自己的计算,依靠磁动量制动的高速交通将需要一艘重约100万公斤(1000公吨)的飞船。然而一个涉及1.5吨重的飞船的星际任务将能够在大约12000年的时间里到达trappist - 1。

这需要很长的时间(因为星际媒体的密度非常低)。如果想在有生之年看到回报(科学数据,令人兴奋的图片),那就太糟糕了。磁帆工作,但只有当你乐于接受(非常)长远的观点时。换句话说,这样的系统不会像突破摄星的Starshot所设想的那样为纳米飞行器工作。

一个阶段性的激光阵列,可能在智利的高沙漠,推动飞船的旅程。图片:Breakthrough Initiatives

[Gros]的结论是:对星际气体的破坏只有在低速时才可行,甚至还需要一艘宽几十英里、重达数吨的帆。问题是以如此低的速度,到最近的恒星的旅程将需要一千年的时间。

“突破摄星计划”旨在以五分之一的光速发射宇宙飞船,这样它就能在人的一生中到达最近的恒星。很难让人们对一段无法亲眼目睹的旅程感到兴奋。如果人类的寿命可以通过基因工程延长到几千年,那么Gros所考虑的类型的设计肯定会更有吸引力。

但是对于像《创世纪》这样的任务,在2016年提出的Gros计划,时间并不是一个因素。这样的探测器将携带单细胞生物——要么编码在基因工厂里,要么储存为低温冷冻孢子——这可能需要数千年的时间才能到达邻近的恒星系统。一旦到了那里,它就会开始播种那些被认定为“可居住”的行星,这些行星都是单细胞生物。

对于这样的任务,旅行时间不是最重要的因素。重要的是减缓和建立行星轨道的能力。这样,宇宙飞船就能在附近的星球上播下陆地生物的种子,这可能会在人类探险者或定居者的推动下,慢慢地形成地球。

考虑到人类需要多久才能到达最近的太阳系外行星,一个持续几百年或几千年的任务没什么大不了的。最后我们选择进行星际任务的方法将归结为我们愿意投资多少时间。为了探索,权宜之计是关键因素,这意味着轻型工艺和难以置信的高速。

但是,长期目标——比如将其他世界与生活结合起来,甚至将它们用于人类定居——是令人担忧的,缓慢而稳定的方法是最好的。有一件事是肯定的:当这些类型的任务从概念阶段转移到实现时,它肯定会令人兴奋地见证!

知识:科学无国界,博科园-科学科普

参考:Goete University Frankfurt, Journal of Physics Communications

作者:Matt Williams

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