比起光帆 外星人或许更喜欢电帆

2019年12月10日 07:02 次阅读 稿源:中国科技网 条评论

“先进的文明可能更倾向于使用电帆,而非光帆。”近期,美国哈佛大学理论与计算研究所研究人员亚伯拉罕·勒布针对这个很多人都好奇的问题向外媒做了解答。勒布与美国佛罗里达理工学院航天物理与空间科学系研究人员马纳斯维·林加姆合作研究发现,在大多数恒星附近,电帆是比光帆更好的推进系统。

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少工质推进航天器是潜力股

“目前大多数航天器依赖于喷气推进式发动机,通过大量气体高速喷出产生反作用力,即推力。然而,如果航天器想要冲出太阳系,走向更广袤的星际空间,这种高度依赖工质的推进方式显然并不经济划算,远航能力也受自身携带的燃料量限制。”近日,北京理工大学宇航学院副教授谢侃在接受科技日报记者采访时表示。

工质,即实现热能和机械能相互转化的媒介物质,也可看成是推进剂或燃料。如果想要摆脱工质的限制,就要想办法从空间环境中“汲取能量”,提高续航能力。

谢侃告诉记者,近年来,越来越多的研究者将目光投向了少工质甚至无工质推进方式,包括早已应用的光帆以及“新生代”的磁帆和电帆。

光帆的概念由来已久,早在上个世纪20年代就有人开始思考怎样“驭光而行”。如今,光帆已然在航天器中成功应用,如美国的地球卫星“光帆2号”、日本的宇宙探测器IKAROS等。光帆的工作原理大体为,太阳辐射出的光子撞击光帆表面的金属镀层时被反射,实现动量交换,给予航天器飞行的动力。

除了光子,太空中还普遍存在着等离子体。等离子体是带有相同电量的正电荷和负电荷粒子组成的一个整体,总体呈电中性。

上世纪90年代,有学者打起了等离子体的主意,提出了磁帆的概念——利用太阳辐射出的带电粒子在固定磁场中偏转而将部分动量传递给航天器以获得加速度的一种推进方法。

21世纪初,电帆的思路随之问世。学者设计的电帆外形与光帆、磁帆中常见的平板状帆板不同,最开始是渔网状,如今更倾向于伞骨状。电帆的主体结构主要由导电铝线的“绳子”构成。每条铝线上都带有电荷,通过与空间中的带电粒子的相吸相斥原理产生动力。

隐蔽性和续航性同时兼顾

光帆尺寸大,动辄几十公里,且受限于光子,在远离恒星的区域或被其他天体遮蔽的阴暗处,光帆能发挥的推动作用就极其有限了。相比而言,磁帆和电帆更具有深空航行的潜力。毕竟,空间中几乎所有区域都有带电粒子的身影。

谢侃也认同外星文明或许更倾向于电帆的观点。

“外星人存在吗?他们在哪里?”这是天文学界乃至人类一直努力寻找答案的问题。费米悖论指出,科学推论可以证明,外星人的进化要远早于人类,他们应该已经来到地球并存在于某处;然而迄今为止,公开资料表明人类并未发现任何有关外星人存在的蛛丝马迹。

“会不会是外星人曾经来过,却并未被我们发现?没有人知道答案。”谢侃告诉记者,至少我们现阶段认知范围内的光帆应该不是外星文明的最佳选择。光帆的续航能力暂且不论,反射光子的工作原理就注定了以光帆为主动力的航天器无论走到哪里,都像是一面巨大的镜子——光灿灿、明晃晃。如果外星文明进化更早、曾经掠过地球,那我们不可能发现不了;如果外星文明尚未进化成我们现有的水准,那么在探测其他文明时,未证实对方是敌是友之前,想必也不会采取如此“高调”的方式。

相比而言,电帆和磁帆就隐蔽很多。“尤其是电帆,几乎不会向周围发射明显的可探测信号,是个名副其实的空间‘影子’。”谢侃说。

然而,平均1立方厘米空间中仅存在5个带电粒子的稀薄程度也让人们对电帆的速度担忧。众所周知,宇宙的距离动辄以光年计量,这意味着航天器的速度要达到光速的量级,航行时间才能与人类短暂的寿命相匹配。要知道,人类历史上第一艘星际空间探测器“旅行者1号”从发射升空到飞离太阳系花了整整35年。

稀薄的带电粒子决定了电帆需要大量的时间加速。林加姆表示,电帆通过反复接近恒星最终可以达到0.1倍光速,但他们估计,这需要在100万年的时间里“遭遇”1万次,但从人类寿命的尺度上看,100万年太漫长了。

“如果宇宙中存在长寿物种,那么电帆就是一种相当方便和节能的方式,可以在数百万年的长时间段里探索银河系。”林加姆说。

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