【博科園-科學科普】近年來，被證實的外太陽系行星數量突飛猛進。隨著每一個新發(fā)現，當我們有可能直接探索這些行星的時候，問題就自然而然地出現了。到目前為止，已經有了一些建議，從激光帆驅動的納米飛行器到半人馬座阿爾法星(Alpha Centauri)，在短短20年的時間里，到裝備有基因實驗室的慢速移動的微型飛行器(《創(chuàng)世紀》項目)。
在行星表面產生的無線電波束(紅色)驅動的光帆的插圖。這些光束掃過天空時的泄漏將會像快速的無線電爆發(fā)一樣出現，類似于最近在宇宙學距離上發(fā)現的新一代的輻射源。圖片版權：M. Weiss/CfA
但當涉及到制動這些飛行器時，他們可以放慢速度，研究遙遠的恒星和軌道行星，事情就變得有點復雜了。根據一項最近由《創(chuàng)世紀》項目構想的人所做的研究——法蘭克福大學理論物理研究所的克勞迪亞斯·格羅斯教授——依靠超導體產生磁場的特殊帆可以用于這個目的。
Starshot和Genesis是類似的，這兩個概念都試圖利用最近在小型化方面的進步。今天工程師們能夠制造傳感器、推進器和照相機，能夠執(zhí)行計算和其他功能，但只是較舊儀器的一小部分。在推進方面，有很多選擇，從傳統(tǒng)的火箭和離子驅動器到激光驅動的輕型帆。
項目Starshot是由突破攝星基金會發(fā)起的一項倡議，旨在成為人類的第一次星際航行。圖片：breakthroughinitiatives.org
然而，減慢星際任務的速度仍然是一個更大的挑戰(zhàn)，因為這樣的飛行器不能安裝制動推進器和燃料，而不會增加它的重量。為了解決這個問題，Gros教授建議使用磁帆，這將比其他現有方法有許多優(yōu)勢。
經典地說可以用火箭發(fā)動機來裝備宇宙飛船。正常的火箭發(fā)動機，因為我們正在使用它們發(fā)射衛(wèi)星，可以改變速度只有5 - 15公里/秒。甚至只有在使用幾個階段的時候。這還不足以使飛行器在1000公里/秒(0.3% c)或10萬公里/秒(c / 3)飛行時減速。聚變或反物質的驅動會有所幫助，但不是很大。
設想的帆將由一個直徑約50公里的巨型超導環(huán)組成，一旦產生無損耗電流，就會產生磁場。一旦激活后，星際介質中的電離氫將被反射到帆的磁場中。這將會使航天器的動量轉移到星際氣體中，從而逐漸減慢它的速度。
根據Gros的計算，這將適用于低速航行的航行，盡管星際空間的粒子密度極低，每立方厘米可以達到0.005到0.1個粒子。“磁風帆隨時間消耗能量，如果你關掉你的汽車引擎，它會因為摩擦而減速(空氣，輪胎)。磁帆也有同樣的作用，其中的摩擦力來自于星際氣體。
燈塔飛船接近可能適宜居住的系外行星比鄰星b。圖片版權：PHL @ UPR Arecibo
這種方法的優(yōu)點之一是可以使用現有技術進行構建。磁帆背后的關鍵技術是一個Biot Savart回路，當它與高能物理中使用的相同的超導線圈配對時，將會產生一個強大的磁場。使用這樣的帆，甚至更重的宇宙飛船——重量達到1500公斤(1.5公噸)；3307磅可以從星際航行中減速。
一個大的缺點是這樣的任務需要時間。根據Gros自己的計算，依靠磁動量制動的高速交通將需要一艘重約100萬公斤(1000公噸)的飛船。然而一個涉及1.5噸重的飛船的星際任務將能夠在大約12000年的時間里到達trappist - 1。
這需要很長的時間(因為星際媒體的密度非常低)。如果想在有生之年看到回報(科學數據，令人興奮的圖片)，那就太糟糕了。磁帆工作，但只有當你樂于接受(非常)長遠的觀點時。換句話說，這樣的系統(tǒng)不會像突破攝星的Starshot所設想的那樣為納米飛行器工作。
一個階段性的激光陣列，可能在智利的高沙漠，推動飛船的旅程。圖片：Breakthrough Initiatives
[Gros]的結論是：對星際氣體的破壞只有在低速時才可行，甚至還需要一艘寬幾十英里、重達數噸的帆。問題是以如此低的速度，到最近的恒星的旅程將需要一千年的時間。
“突破攝星計劃”旨在以五分之一的光速發(fā)射宇宙飛船，這樣它就能在人的一生中到達最近的恒星。很難讓人們對一段無法親眼目睹的旅程感到興奮。如果人類的壽命可以通過基因工程延長到幾千年，那么Gros所考慮的類型的設計肯定會更有吸引力。
但是對于像《創(chuàng)世紀》這樣的任務，在2016年提出的Gros計劃，時間并不是一個因素。這樣的探測器將攜帶單細胞生物——要么編碼在基因工廠里，要么儲存為低溫冷凍孢子——這可能需要數千年的時間才能到達鄰近的恒星系統(tǒng)。一旦到了那里，它就會開始播種那些被認定為“可居住”的行星，這些行星都是單細胞生物。
對于這樣的任務，旅行時間不是最重要的因素。重要的是減緩和建立行星軌道的能力。這樣，宇宙飛船就能在附近的星球上播下陸地生物的種子，這可能會在人類探險者或定居者的推動下，慢慢地形成地球。
考慮到人類需要多久才能到達最近的太陽系外行星，一個持續(xù)幾百年或幾千年的任務沒什么大不了的。最后我們選擇進行星際任務的方法將歸結為我們愿意投資多少時間。為了探索，權宜之計是關鍵因素，這意味著輕型工藝和難以置信的高速。
但是，長期目標——比如將其他世界與生活結合起來，甚至將它們用于人類定居——是令人擔憂的，緩慢而穩(wěn)定的方法是最好的。有一件事是肯定的:當這些類型的任務從概念階段轉移到實現時，它肯定會令人興奮地見證！
知識：科學無國界，博科園-科學科普
參考：Goete University Frankfurt, Journal of Physics Communications
