將我束射到恒星：科學家提出狂的新星際旅行技術

(2025-03-02 10:47:06)

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將我束射到恒星：科學家提出狂的新星際旅行技術

By Victoria Corless

published 12 hours ago

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“我們今天用的化學火箭甚至用来自飛越行星的額外速度提升或者为一个提升来自被太陽擺動只是没有来擴展到有用的星際速度的能力” 。

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(Image credit: Yuichiro Chino/Getty Images)

研究人員已经提出了一種新的可以在人類的一生中做出覆盖星際使命所需的遙遠距離的推進方法。

在到達一个不同恆星系統中根本挑戰在於弄清楚如何来既有效的又可实行的產生和傳輸足夠的能量到一个航太器。現代航天器的物理限制摆出在人類一生中到達星際空間重大的挑戰，尤其是在船上有限的空間攜帶推進劑或電池。如果我們从来想在人類的一生中取得跨越星際距離所需的巨大速度，我們需要找到箱子外的解決方案。

進入由接近光速移動的電子組成的相對論電子束。电天空（Electric Sky）公司首席技術專家兼金牛零（Tau Zero）基金會主席格里森(Jeff Greason) 告訴太空网站，“長期以來，向飞船發射束射功率一直被認為是一种獲得比我們能隨身攜帶的更多能量的方式 [...]，能量是功率 [乘以] 時間——因此要從一束光獲得一个給定量的能量，你要麼需要非常高的功率要麼你需要留在光束中一个长时间”。

最近提出的一種这样的解決方案用被加速到接近光速的電子束來推動航天器，某些可以克服地球和下一個最近恆星之間的广袤距離的东西。格里森解釋說，“對於星際飛行主要挑戰是距離如此大。半人馬座阿爾法星是在 4.3 光年外，距離太陽大約比旅行者 1 號航太器已经到達的远更远 2000 倍——迄今為止我們从来送入深空的最遠的航太器。沒有人可能資助一項要用比 30 年远更长来返回數據的科學使命——這意味着我們需要飛得快”。

由格里森和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學家布鲁行（Gerrit Bruhaug）發表在《宇航學報》雜誌上的一項研究強調達到實際的星際速度铰在以一种經濟的方式向航太器交付足夠量的動能的能力上。

格里森說，“星際飛行需要我們来收集和控制广大量能量以取得足夠快是有用的速度。我們今天使用的化學火箭甚至用来自飛越行星的額外速度提升或 [...]从为一个提升被太陽擺動只是沒有来擴展到有用的星際速度的能力”。

大多數为星際旅行研究关于「光束騎手」的理論已经集中在激光束上，激光束由叫光子的光粒子組成。著名的例子包括激光束提供动力的星際衝壓發動機和激光帆。衝壓噴氣發動機通过壓縮從星際介質收集的氫氣推動航太器，能量被從一个遙遠來源傳輸的激光束提供。相比之下，激光帆利用来自激光束的光子動量來推動航太器向前。

藝術家的由激光提供动力的突破射星（Breakthrough Starshot） 探測器飛越潜在宜居的系外行星比鄰星 b 的描画。. (Image credit: Planetary Habitability Laboratory, University of Puerto Rico at Arecibo)

雖然這兩個概念出现都是理想的解決方案，但有幾個限制阻礙它們的應用。星際衝壓噴氣發動機面臨星際介質稀疏密度和猛烈的能量和聚變要求挑戰。激光帆尽管設計更簡單，但挣扎与在广袤距離上保持光束對準和強度以確保足夠的功率交付上。

相比之下，電子远更容易来加速到接近光速並提供獨特的優勢，儘管由於它们自己的一系列限制仍然更少被探索。格里森解釋說，“由於電子都是負電荷的，它們彼此排斥將光束分開”。

但格里森和布鲁行争论有抵消這一點的方法。

在相對論速度——接近光速——時間更慢移動，這意味着電子束將不会有足夠的来擴散的時間，保持電子束被聚焦。

另一個優勢在於空間不是空的的事实。格里森解釋說，“有一種非常薄的充滿太空叫等離子體的電離氣體的散布，它让它自己的電子和離子漂移着。當電子束穿過 [這種等離子體] 時，它排斥來自這種背景氣體的更輕電子，但重的阳離子更慢移動並被留下” 。

這張明亮的围绕半人馬座阿爾法星系統天空的寬視場观望被从構成數位化巡天 2 的部分攝影圖像創建。 (Image credit: ESO/Digitized Sky Survey 2 Acknowledgement: Davide De Martin)

随電子束穿過等離子體由於經過从空間等離子體留下的阳離子它看到一個磁場，該磁場创造一種將電子束拉在一起的力，有效的擠壓電子束並防止它擴散开。格里森說，“這被稱為一个'相對論性夹子'，，如果这都正确的工作，我們能在太空中一起把持光束很長的距離——從地球到太陽的距離的數千倍——這將提供来加速一艘航太器的功率” 。

在他們的論文中，兩人計算了以這些速度旅行的電子束能產生足夠的功率来推動一個 2200 磅（1000 公斤）的探測器——大約與旅行者 1 號的大小相同——高達光速的 10%。這將使它能夠在刚好40 年內到達半人馬座阿爾法星，比目前会用的 70000 年一个顯著的進步。

格里森争论這些夹紧的相對論光束的例子已經存在於深空中，例如由黑洞釋放的帶電粒子的射流，表明這假設上是可能的。“但是我們能產生那種人工條件嗎？太陽的自己的磁場将打破光束嗎？我們如何啟動電子束呢？這些都是仍然在的問題”。

在論文中，該團隊建議將「產生光束的航天器」放置在靠近太陽的地方，在那里強烈的陽光可以提供光束所需的功率。格里森評論道，“雖然在製造如此一个高功率的光束中要做工程工作，但與其他挑戰相比這不是特別的困難”。

將一个電子束投射出去到一个航天器也只是挑戰的一半——產生的功率需要能夠来推動一个航天器。格里森說'，“這意味着將光束的能量轉化為噴射某種推進劑或反應物質，這個光束將正在傳輸大量功率，而這種轉換將不得不放非常少的廢熱进入航天器如此它不會融化！”

他說，他們對如何實現這个有一些想法，但目前它们都是假設的，需要更多的工作來弄清楚。他們還需要做更多的計算機建模研究以更好地理解光束的行為以及它可能如何被啟動，然後天基實驗將提供具體的从中工作的數據。格里森說，“例如，一顆遠離地球的衛星可以向月球傳輸一个光束以實驗上確認結果與那些被建模預測的結果匹配”。