建造小型星际探测器的风帆将会非常艰难-但不是不可能的

2018-05-14

一项新的研究发现,巨型激光器确实可以向Alpha Centauri发射太空船舰队,因为在能够捕获这种激光的超薄,难以置信的反光帆背后,科学取得突破性进展。

2016年宣布的1亿美元突破性Starshot计划计划使用强大的激光器向我们自己最近的恒星系统Alpha Centauri发射一批小型航天器。虽然使用激光炮来推进航天器可能听起来像科幻小说,但以前的研究表明,“轻帆船”可能是在人类一生中探索另一颗恒星的唯一技术可行的方法之一。

尽管阿尔法半人马座是距离地球最近的恒星系统,但它距离大约4.37光年远。这相当于超过25.6万亿英里(41.2万亿英里),或超过地球到太阳距离的27.6万倍。 [突破Starshot的星际使命]

传统的火箭远远不够有效,足以覆盖人类一生中Alpha Alphaauri的巨大距离。例如,美国航空航天局的航海者1号航天器将于1977年发射升空,并于2012年达到星际空间,约75,000年才能抵达阿尔法半人马座(如果探测朝正确的方向发展,而不是)。

当前航天器用于推进的所有推进器的问题是它们携带的推进剂具有质量。长途旅行需要大量的推进剂,这使得推进器沉重,反过来,需要更多的推进剂,使它们更重,等等。而且这个问题越大,宇宙飞船的指数就越差。 Starshot认为,航天器不是携带推进剂,而是装备镜面帆,并依靠激光将这些探头向外推。

“这是一个非常大胆的目标,”研究的主要作者Harry Atwater是位于帕萨迪纳的加州理工学院的材料科学家和应用物理学家,他告诉Space.com。

虽然光线不会施加太大的压力,但以前的工作表明太阳光可以用于航天飞行。日本的IKAROS(由太阳辐射加速的行星际风筝飞行器)任务于2010年发射,是第一个在行星际空间成功演示太阳帆技术的航天器,最大速度达到895英里/小时(1440公里/ H)。

Starshot的目标是使用100千兆瓦强大的地基激光阵列,向Alpha Centauri发射微芯片尺寸的航天器。 “这将是迄今为止人类迄今为止建造的最大的激光器,”阿特沃特说。

“StarChips”将以高达20%的光速飞行,并在大约20年内达到Alpha Centauri,每个使用1瓦激光器和帆航行与地球通信。 Starshot的目标是每年推出数以万计的StarChip。所以希望是,即使很多人失败了,许多人也会到达遥远的系统 - 并且可能会对Proxima b,一个潜在可居住的星球旋转系统的三颗恒星之一进行近距离观察。

根据今天发表的一项新研究报告,每个StarChip的帆的尺寸约为108平方英尺(10平方米),重量不到1克,意味着它应该只有约100个原子厚。 5月7日)在journalNature Materials中。研究人员指出,创造一艘反光,轻盈且足够强大的帆航行到Alpha Centauri是一项挑战,它推动了现有科学的发展。

“我们已经为研究人员提供了一个初步路线图,以进一步推进这个星际目标,”阿特沃特说。 [画廊:星际飞船之旅]

Starshot激光器阵列可能会发射地球大气透明的特定波长的近红外光束。 Starshot帆不仅需要反射这些波长,而且最好只吸收一小部分能量,以免它们在Starshot \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \此外,帆必须足够轻薄,以便尽可能强地被激光推动。

另外,就像车辆驶向你的时候,救护车警报声如何发出更高的声音,而当它离开激光器时,声音越低,它们接收到的光线将在一个称为多普勒频移的过程中变红。研究人员解释说,理想情况下,风帆还应该反射这些较红的波长,以尽可能多地从激光束中获得推进力。

科学家们发现,没有已知的材料具有用作Starshot帆的性能的完美组合。例如,虽然金和银等金属是近红外光的优秀反射镜,但它们会从斯坦索特的激光器中吸收太多的能量以生存。

尽管如此,许多材料至少具有一些所需的品质,这表明它们可以用作Starshot帆。这些包括结晶硅和二硫化钼。

至于找到能够反射尽可能多的光线,同时保持低质量的风帆,科学家们推荐带有六角孔格的帆以减轻重量。研究人员还指出,控制风帆的微观结构 - 例如通过使用交替的材料层,每层只有纳米(十亿分之一米)厚,可以提高其反射率并降低其吸收率。

在StarChip将以非常高的速度行进时,即使很小的影响也可能会破坏这些探测器。尽管如此,之前的工作表明氢气和氦气分子可能会通过帆而不会导致这种影响。此外,虽然以前的研究表明,在前往阿尔法半人马座的途中,每个帆可能会遇到约10亿个尘埃颗粒,但这种影响可能会在集体帆区的不到0.1%的范围内打洞。

未来的挑战包括探索各种材料在受到强大的激光和极高的加速度时的表现。此外,科学家们还必须研究如何制造和处理大片极薄的薄膜,以及如何将这些精密部件组装成一个风帆。

“一定会有制造挑战,但没有出现可能性的领域,”阿特沃特说。 “这些是真正的材料,不是'unobtanium'。”“

此外,进一步的研究应该探索风帆的形状和激光束在风帆上的印迹如何能够帮助改善它在空间中飞行的稳定性。例如,科学家们可能会研究球形帆和甜甜圈形梁。

“如果你想一个吹叶机,它可以有效地吹叶子,直到它被推出空气流,这时它不稳定地移动,”阿特沃特说。 “推动这些帆的轻微的压力面临着同样的问题,我们必须设计帆和帆排,以便帆可以稳定地在横梁上行驶。

“我们面临令人兴奋的问题,”阿特沃特补充道。 “但我们认为有解决方案。”

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