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比起光帆 外星人或許更喜歡電帆



“先進的文明可能更傾向於使用電帆,而非光帆。”近期,美國哈佛大學理論與計算研究所研究人員亞伯拉罕·勒布針對這個很多人都好奇的問題向外媒做了解答。勒布與美國佛羅里達理工學院航天物理與空間科學系研究人員馬納斯維·林加姆合作研究發現,在大多數恆星附近,電帆是比光帆更好的推進系統。

少工質推進航天器是潛力股

“目前大多數航天器依賴於噴氣推進式發動機,通過大量氣體高速噴出產生反作用力,即推力。然而,如果航天器想要衝出太陽系,走向更廣袤的星際空間,這種高度依賴工質的推進方式顯然並不經濟划算,遠航能力也受自身攜帶的燃料量限制。”近日,北京理工大學宇航學院副教授謝侃在接受科技日報記者採訪時表示。

工質,即實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質,也可看成是推進劑或燃料。如果想要擺脫工質的限制,就要想辦法從空間環境中“汲取能量”,提高續航能力。

謝侃告訴記者,近年來,越來越多的研究者將目光投向了少工質甚至無工質推進方式,包括早已應用的光帆以及“新生代”的磁帆和電帆。

光帆的概念由來已久,早在上個世紀20年代就有人開始思考怎樣“馭光而行”。如今,光帆已然在航天器中成功應用,如美國的地球衛星“光帆2號”、日本的宇宙探測器IKAROS等。光帆的工作原理大體為,太陽輻射出的光子撞擊光帆表面的金屬鍍層時被反射,實現動量交換,給予航天器飛行的動力。

除了光子,太空中還普遍存在著等離子體。等離子體是帶有相同電量的正電荷和負電荷粒子組成的一個整體,總體呈電中性。

上世紀90年代,有學者打起了等離子體的主意,提出了磁帆的概念——利用太陽輻射出的帶電粒子在固定磁場中偏轉而將部分動量傳遞給航天器以獲得加速度的一種推進方法。

21世紀初,電帆的思路隨之問世。學者設計的電帆外形與光帆、磁帆中常見的平板狀帆板不同,最開始是漁網狀,如今更傾向於傘骨狀。電帆的主體結構主要由導電鋁線的“繩子”構成。每條鋁線上都帶有電荷,通過與空間中的帶電粒子的相吸相斥原理產生動力。

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隱蔽性和續航性同時兼顧

光帆尺寸大,動輒幾十公里,且受限於光子,在遠離恆星的區域或被其他天體遮蔽的陰暗處,光帆能發揮的推動作用就極其有限了。相比而言,磁帆和電帆更具有深空航行的潛力。畢竟,空間中幾乎所有區域都有帶電粒子的身影。

謝侃也認同外星文明或許更傾向於電帆的觀點。

“外星人存在嗎?他們在哪裡?”這是天文學界乃至人類一直努力尋找答案的問題。費米悖論指出,科學推論可以證明,外星人的進化要遠早於人類,他們應該已經來到地球並存在於某處;然而迄今為止,公開資料表明人類並未發現任何有關外星人存在的蛛絲馬跡。

“會不會是外星人曾經來過,卻並未被我們發現?沒有人知道答案。”謝侃告訴記者,至少我們現階段認知範圍內的光帆應該不是外星文明的最佳選擇。光帆的續航能力暫且不論,反射光子的工作原理就注定了以光帆為主動力的航天器無論走到哪裡,都像是一面巨大的鏡子——光燦燦、明晃晃。如果外星文明進化更早、曾經掠過地球,那我們不可能發現不了;如果外星文明尚未進化成我們現有的水準,那麼在探測其他文明時,未證實對方是敵是友之前,想必也不會採取如此“高調”的方式。

相比而言,電帆和磁帆就隱蔽很多。 “尤其是電帆,幾乎不會向周圍發射明顯的可探測信號,是個名副其實的空間‘影子’。”謝侃說。

然而,平均1立方厘米空間中僅存在5個帶電粒子的稀薄程度也讓人們對電帆的速度擔憂。眾所周知,宇宙的距離動輒以光年計量,這意味著航天器的速度要達到光速的量級,航行時間才能與人類短暫的壽命相匹配。要知道,人類歷史上第一艘星際空間探測器“旅行者1號”從發射升空到飛離太陽系花了整整35年。

稀薄的帶電粒子決定了電帆需要大量的時間加速。林加姆表示,電帆通過反復接近恆星最終可以達到0.1倍光速,但他們估計,這需要在100萬年的時間裡“遭遇”1萬次,但從人類壽命的尺度上看,100萬年太漫長了。

“如果宇宙中存在長壽物種,那麼電帆就是一種相當方便和節能的方式,可以在數百萬年的長時間段裡探索銀河系。”林加姆說。