DeepTech深科技 麻省理工科技评论独家合作
为飞船提供动力源的光帆极易受太空尘埃撞击
脑Q是DT君系列新栏目中的又一成员，旨在报道最新的科学发现和技术发明，挑战脑力的底线。
◆ ◆ ◆ ◆ ◆
编者按：2016年4月12日，物理学家史蒂芬·霍金与投资人尤里·米尔纳在纽约共同宣布了突破摄星（Breakthrough Starshot）项目正式启动。
这项最终耗资可能达50-100亿美元的太空搜索项目，旨在研发名为“星片”（StarChip）的光帆飞行器，以期能以五分之一光速（每秒6万千米），经过约20年的航行时间抵达半人马座α星，并在到达后再经过约4年的时间向地球传回信息。
事实上，“突破摄星”计划的雏形至少在10年前就已被提出。这类恒星际计划都准备向距离太阳系最近的恒星发射速度至少为十分之一光速的飞船，这样的速度可以保证世界上有相当一部分人可以在有生之年见证整个探测结果。
尽管恒星际探测计划在理论上没有违反任何已知的物理和数学规律，但计划的诸多细节却仍必须审慎推敲。
近日，在“突破摄星”项目的资助下，由4名天文学家组成的团队在arXiv上发表了1篇该计划的技术可行性研究论文。
该论文探讨了一艘以光速的几分之一飞行的飞船安全到达目标恒星的可能性。
其结论是：宇宙尘埃是恒星际准光速飞行的重大威胁，因此飞船必须考虑适当的防护措施。
此外，技术可行的防护措施并不能完全避免足以毁灭飞船的灾难性碰撞的发生。
“突破摄星”项目计划发射速度达五分之一光速的飞船。
在这个速度下，飞船即使同一个单原子发生碰撞也可能发生损坏；若同一粒尘埃相撞则会彻底毁灭。
因此，研究团队从理论上估计了碰撞发生的概率。
要知道，地球与最近恒星之间的空间并非真空。数十亿年前，创造太阳系的超新星爆发将一批尘埃散布到太阳系周围，此外还有其他一些宇宙物理过程把单原子散布在恒星际空间。
于是，研究团队分别研究了尘埃和单原子的威胁。
与单原子发生撞击并不足以直接破坏飞船的结构，但是撞击能量仍能把撞击区域加热到很高的温度。一方面，足够高的温度会使得飞船材料蒸发；另一方面，即使未达到蒸发温度，材料的特性也会被高温改变，从而影响其结构特性。通过对星际气体密度的测量和一些实验室研究，科研团队在多种假设下计算了碰撞造成的损害。
研究结果表明：尽管氢和氦原子是最常见的星际原子，但更重的氧、镁和铁单原子是破坏的主要来源。
来自星际尘埃的威胁又有所不同。小星际尘埃类似于一批单原子同时撞击飞船，破坏主要来自加热；但足够大的星际尘埃可以在碰撞中直接摧毁飞船。
那么“足够大”是多大呢？15微米，人类头发的直径的四分之一。
幸运的是，“足够大”的尘埃很少，因此它们碰到飞船的概率估计仅为10的50次方分之一，地球上最安全的交通工具也远达不到这个概率。
过热并不是唯一的危险
另外，文章没有定量回答的一个问题是：撞击对飞船速度的影响有多大。实际上，每次撞击都会令飞船损失一点速度。
更重要的是，每次微粒飞来的方向未必会和飞船的飞行方向共线，这样，飞船的方向也会改变。
尽管从理论上来说，撞击来自任何一个方向的概率是相等的，因此随着时间的推移，飞船的真实飞行方向将无限逼近设计飞行方向。在这个理想状态下，微粒的撞击对飞船方向的改变并不明显。
但是，目前没有足够资料来估计这种理想状态要花多久才能达到，以及任意时刻飞船飞行方向的不确定性有多大。
此外，考虑到人类只能把很小的飞船加速到20%光速，飞船上搭载的相机镜头不会很大。为了获得该恒星周围行星的图像，飞船就必须飞到离恒星很近的地方，而那里的星际微粒密度比星际空间高得多。而星际微粒正是太阳系飞船到达临近恒星的重大障碍，所以会更加危险。
关于对策，科研团队的结论是，在飞船表面，星际单原子至多造成0.1毫米深的撞击坑，而星际尘埃可以造成1.5毫米深的撞击坑，并融化坑底部1厘米厚的材料，所以，这种破坏必须加以防护。
科研团队建议了几种降低碰撞危害的方法。最简单的方法是把飞船做得尽可能细长——这要求在尘埃密集的初始阶段，不能把飞船的光帆张得太大，最好把光帆置于护盾后。
此外，飞船的主体也必须尽可能细长，减少可能发生撞击的面积。然而，由于光帆同时还充当地球和飞船之间的通信天线，减小光帆可能会导致通信中断。
此外，由于撞击主要造成热损害，因此可以在飞船前加一层石墨，有效地将撞击热分散。实验已经证明，石墨是一种有效的散热材料。
参考：T. Hoang, etal, The interaction of relativistic spacecrafts with the interstellar medium,2016 arXiv:1608.05284
脑Q是DT君系列新栏目中的又一成员，旨在报道最新的科学发现和技术发明，挑战脑力的底线。
招聘
编辑、视觉设计、运营助理、实习生（编译）
地点：北京
联系：hr@mittrchina.com
联系客服
