突破摄星计划 (太空探索项目)

在一代人的时间内,“突破摄星”(Breakthrough Starshot)计划旨在研发出“纳米飞行器”(质量为克级的自动化太空探测器),并通过光束把它推动到五分之一的光速。如果成功的话,这个飞掠任务将会在发射后二十年左右到达半人马座阿尔发星,并发送回来在那个星系中发现的行星的图片。爱因斯坦曾经幻想在宇宙中乘着一道光线飞驰,这个思想实验为他的狭义相对论奠定了基础。一个多世纪后,人类有机会可以达到光速的一小部分:一亿英里每小时。只有通过这么快的速度,才有希望在人类的时间尺度内到达那些恒星。这个项目耗资巨大,雄心勃勃地希望探索人类创新和工程学的极限。

1项目背景

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突破摄星计划由 Breakthrough Initiatives 发起。该组织是在 2015 年由尤里·米尔纳(Yuri Milner)建立并资助,旨在寻找地外智慧生命。俄罗斯富豪尤里·米尔纳曾投资Facebook、Twitter、阿里巴巴等科技公司,在业内享受盛名。

突破摄星计划由美国宇航局艾姆斯研究中心前主任皮特·沃登牵头,世界一流科学家和工程师组成的委员会提供建议,开发需要数年时间,研发将耗资约 100 亿美元,米尔纳先期投入 1 亿美元,希望能有其他国际投资者跟进。

Facebook 创始人扎克伯格加盟了该项目董事会。

2启动仪式

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2016年 4 月 12 日是第六个“国际载人航天日”。当天上午 11 时,美国纽约世贸中心一号楼 102 层大厅内,英国著名天文学家、物理学家史蒂芬·霍金与硅谷著名投资人尤里·米尔纳共同宣布启动“突破摄星”计划,寻找“新地球”。

启动仪式启动仪式

“如果成功,飞行器将在发射后20年左右到达半人马座阿尔发星系。”新闻发布会上,霍金眼光触及轮椅前的电脑屏幕发出缓慢的声音,“飞行器携带的摄像头、通讯设备和处理器会将捕捉的数据和影像,传回地球。”

“若使用传统太空飞船技术,抵达半人马座需要3万年。”俄罗斯投资人尤里·米尔纳介绍,该计划将通过卫星向太空释放数千个纳米飞行器,飞行器的形状如同一只背后有帆的蝴蝶,采用纳米技术,通过光束供能,时速1亿英里,是目前太空飞船速度的1000倍。

“55年前的今天,尤里·加加林成为人类进入太空的第一人。”米尔纳说,“今天,我们正在准备下一个巨大飞跃。”

3技术难点

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半人马座(Centaurus)阿尔法星包括三颗恒星,分别为半人马座α星A、半人马座α星B、半人马座α星C。其中,半人马座α星A、半人马座α星B靠得很近,是一个双星系统,中国古代称为南门二。半人马座α星C,一般称为比邻星,是距离太阳最近的一颗恒星(4.2光年),恒星分类属于红矮星。很多科幻电影或科幻小说都将其作为星际旅行的目的地,刘慈欣在科幻小说《三体》中也提到了半人马座阿尔法星。

即使使用目前最先进的航天器,到半人马座阿尔法星也需要万年以上。以“新视野号”为例,它需要 14000 年以上才能到达半人马座阿尔法星。而“突破摄星”计划提出制造“纳米飞行器”,可以在短短几分钟内加速到光速的五分之一,即每秒钟飞行 6 万公里。也就是说,“纳米飞行器”能在二三十年内达到半人马座阿尔法星,带去人类信息,也把那里的信息带回地球。

突破摄星计划将会使用激光推动的飞行器突破摄星计划将会使用激光推动的飞行器

科学家们设想,“纳米飞行器”主要由两部分构成:计算机芯片大小的“星芯片”和不过几百个原子那么厚的“太阳帆”。其中,仅有数克重的星芯片上携带着摄影、导航和通信等设备。这个“纳米飞行器”的动力来源于激光:科学家先在地球上建造大规模的地基激光发射器,然后发射一个航天器,将数千个“纳米飞行器”带入太空。“纳米飞行器”进入太空后张开光帆,地面上的激光发射器聚焦激光束,发射强大能量的激光,把激光打在光帆上,提供“纳米飞行器”飞行的动力。

从理论上说,这个计划是可行的,但在工程技术上,实现难度很大。

难点之一:激光推进需要在地面建设强大激光源,不断地跟踪、照射飞行器。但如何做到让地球上激光源一直瞄准太空中这么小的“纳米飞行器”?

难点之二:光的能量与距离平方成反比,随着飞行器离地球越来越远,激光所能提供的动能也会迅速衰减。“纳米飞行器”能获得足够的能量飞行4光年吗?

难点之三:即便“纳米飞行器”真的飞到了比邻星,如何把信息传回来?现在航天器上都有一个外形像锅一样的天线,向地球方向发射无线电波,然后被地球上的大天线接收。这种方法显然不适用于小巧的“纳米飞行器”。那么,我们需要一种全新的通信技术,既轻便、又能避免能量的快速衰减。目前,还不知道这种通信技术是什么。 

设想中的激光发射装置设想中的激光发射装置

难点之四:高速飞行时的撞击。

“突破摄星”项目希望能把航天器加速到光速的20%左右。以这样的高速飞行时,甚至一个小小的原子都能让航天器受到严重破坏,如果与灰尘相撞,结果更是灾难性的。因此该研究团队希望能弄清发生这种碰撞的风险究竟有多大。

从地球到最近的恒星之间的空间并非空无一物。早期形成的恒星在宇宙中留下了少量细小的尘埃粒子,各类宇宙活动也产生了很多单个的原子,四处分散在宇宙中。这些粒子会对航天器造成严重的威胁,科学家们对它们分别进行了单独研究。

如果撞上一个原子,主要的问题不在于碰撞本身,而是撞击产生的能量会聚积在航天器中,造成局部过热,这会带来两种后果。如果温度过高,航天器所用的材料就会蒸发到太空中;而如果温度没那么高,就会出现局部材料融化,这部分材料重新凝固之后,材料的性状就会发生改变。

研究人员利用石英(二氧化硅)做了撞击测试,利用测试中得到的信息,再加上对宇宙中气体浓度的测量结果,研究人员通过计算,描述了飞行过程中可能遭遇到哪些损伤。研究结果发现,虽然氢原子和氦原子是航天器可能撞上的最常见的粒子,但质量更重的原子、特别是氧原子、镁原子和铁原子等,会对航天器造成更严重的伤害。

尘埃则会带来另一个问题。如果航天器撞上了体积较小的尘埃,效果就像同时撞上了很多个气体原子一样。因为与撞击产生的能量相比,把这些原子联结成一粒尘埃的能量几乎微不足道,况且构成尘埃的主要是质量较重的原子。但如果尘埃的体积大到一定程度,撞击产生的能量就足以摧毁航天器。而且所谓的“大到一定程度”也并没有多大,研究人员估计,尘埃的直径只需要达到15微米,就足以毁掉整艘航天飞船了。幸运的是,像这么大的尘埃粒子是很少见的,撞上的几率大约是1050分之一。

总的来说,研究人员认为,气体原子对航天器的影响是很小的,造成的伤害顶多只有0.1毫米深。但尘埃就不一样了,航天器撞上尘埃之后,表面可能会有1.5毫米厚的材料蒸发掉,如果材料融化的话,深度更是可能达到10毫米深。而航天器上的每一点材料都至关重要,因此这会对航天器造成十分严重的伤害。

飞行器要解决与太空中物质撞击的问题飞行器要解决与太空中物质撞击的问题

研究人员提出了几种可能会降低撞击风险的方法。最简单的一种方法是,减小航天器在前进方向上的横断面面积,如将太阳能板折叠起来、藏在防护罩后面等等。航天器的主体部分也将做成子弹型,以便减少可能会撞上灰尘的区域面积。不过,如果太阳能板需要用来和地球取得联系的话,这种方法或许就不可行了。

既然最大的问题是局部过热,该研究团队还提出,在航天器前部增装一层石墨,以便更高效地分散热量。研究人员把石墨与石英对比后发现,使用了石墨之后,由撞击引发的损失可以大大降低。

但研究人员并未解决由撞击产生的动能改变问题。每一粒尘埃粒子都会让航天器上的一小部分材料蒸发到太空中,从而对航天器产生反作用力,使它的运行方向发生轻微的改变。日积月累,这些撞击坑会均匀分布在航天器的表面,但航天器的飞行轨迹也会发生一定的变化,这要取决于撞击分布的均匀程度,以及经受撞击的时间。

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突破摄星计划 图册

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  • 更新时间:2016-08-26
  • 创建者:wangshujun
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