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为微小的星际探测器建造风帆将是艰难的 - 但并非不可能

  为微小的星际探测器建造风帆将是艰难的 - 但并非不可能作者:Charles Q. Choi,Space.com贡献者

   2018年5月8日美国东部时间上午07:14 0 0 更多合作伙伴系列为微小的星际探测器建造风帆将是艰难的 - 但并非不可能艺术家的插图突破Starshot帆船飞行的潜在的可居住的系外行星Proxima b。图片来源:阿雷西沃波多黎各大学行星可居住实验室一项新的研究发现, 巨型激光器确实可以将宇宙飞船发射到 半人马座阿尔法星,因为在可以捕获这种激光的极薄,难以置信的反射风帆背后的科学突破。 2016年宣布 的价值1亿美元的 突破星火计划计划使用强大的激光器向成为我们自己最近的恒星系统Alpha Centauri发射成群的微型太空船。虽然使用激光炮进行航天器推进可能听起来像科幻小说,但先前的研究表明,“轻型航行”可能是在人类一生中探测另一颗恒星的唯一技术上可行的方法之一。虽然半人马座阿尔法星是距离地球最近的恒星系统,但它仍然距离大约4.37光年。这相当于超过25.6万亿英里(41.2万亿公里),或超过地球到太阳的276,000倍。[ 突破Starshot的跨星任务 ] 广告传统的火箭远远没有足够的效率来覆盖人类一生中与半人马座阿尔法星的巨大距离。例如,它需要美国宇航局的 旅行者1号太空船 - 它于1977年发射并于2012年到达星际空间 - 大约75,000年才到达半人马座(如果探测器向正方向前进,而事实并非如此)。当前航天器用于推进的所有推进器的问题在于它们携带的推进剂具有质量。长途旅行需要大量的推进剂,这会使推进器变重,这反过来需要更多的推进剂,使它们更重,等等。太空船越大,这个问题就会越来越严重。Starshot提出,航天器不是携带用于推进的推进剂,而是配备镜像帆,并依靠激光将这些探头向外推。 “这是一个非常大胆的目标,”研究的主要作者,帕萨迪纳加州理工学院的材料科学家和应用物理学家Harry Atwater告诉Space.com。虽然光没有施加太大的压力,但以前的工作表明太阳光可以用于太空飞行。日本的IKAROS(由太阳辐射加速的行星际风筝工艺)任务于2010年启动,是第一个在行星际空间成功展示太阳帆技术的太空船,最大速度达到约895英里/小时(1,440公里/小时)。 Starshot的目标是使用强度为100千兆瓦的地球激光阵列向Alpha Centauri发射微芯片尺寸的太空船。“这将是迄今为止最大的激光人类建造的,”阿特沃特说。 “StarChips”将以高达20%的光速飞行,并在大约20年内到达Alpha Centauri,每个使用1瓦激光器和它的帆与地球进行通信。Starshot旨在每年推出多达数万个StarChip。所以希望是,即使许多人失败了,许多其他人也会到达遥远的系统 - 也许会近距离观察 Proxima b,这是一个潜在的可居住行星,绕着系统的三颗星之一盘旋。根据今日在线发布的新研究,每个StarChip的风帆设计大小约为108平方英尺(10平方米),质量小于1克,这意味着它应该只有大约100个原子厚度。 (5月7日)在“ 自然材料 ”杂志上 发表。研究人员指出,创造一种具有反射性,光线和强度足以进入半人马座阿尔法星的航行的帆是一项挑战,它推动了现有科学的发展。 “我们为研究人员提供了一个初步路线图,以便进一步推进这一星际目标,”阿特沃特说。[ 画廊:星际星际旅行的愿景 ] Starshot激光阵列可能会发射特定波长的近红外光束,地球大气层是透明的。Starshot帆不仅需要反射这些波长,而且最多只能吸收一小部分能量,以免它们在受到Starshot非常强烈的激光击中时升温并被摧毁。此外,帆必须轻薄,足以被激光尽可能地推动。此外,就像车辆驶向你的时候救护车警报声更高,随着车辆离开时声音更低,随着帆越来越远离激光器,他们接收到的光会在称为多普勒频移的过程中变红。 。研究人员解释说,理想情况下,帆也应该反射这些更红的波长,以便从激光束中获得尽可能多的推进力。科学家发现,没有任何已知材料具有完美的性质组合,可用作Starshot帆。例如,尽管金和银等金属是近红外光的优良反射体,但它们会吸收Starshot激光器过多的能量 来生存。尽管如此,许多材料至少具有一些所需的质量,这表明它们可以作为Starshot帆。这些包括结晶硅和二硫化钼。至于在保持低质量的同时找到尽可能多的光反射的帆,科学家们推荐使用具有六角形孔的帆以减轻其重量。研究人员还指出,控制帆的微观结构 - 例如使用交替的材料层,每个只有纳米(十亿分之一米)厚 - 可以提高其反射率并降低其吸收率。 在StarChips将以极高的速度行驶时,即使微小的撞击也可能会破坏这些探测器。尽管如此,先前的工作表明氢和氦分子可以通过风帆而不会产生这种影响。此外,尽管先前的研究表明,每艘帆可能在前往半人马座阿尔法星的途中遇到大约10亿颗尘埃粒子,但这样的撞击可能会打破小于集体帆面积的0.1%的空洞。未来的挑战包括探索各种材料在受到强大激光和令人难以置信的高加速度时的表现。此外,研究人员表示,科学家必须研究如何制造和处理大片超薄薄膜以及如何将这些精密元件组装成帆。 “肯定会有制造方面的挑战,但没有任何可能性,”阿特沃特说。“这些都是真正的材料,而不是unobtanium。” 此外,进一步的研究应该探索帆的形状和激光束在帆上的足迹可以如何帮助改善它在空间中飞行的稳定性。例如,科学家们可能会研究球形帆和环形梁。 “如果你想到一台吹叶机,它可以有效地吹叶子,直到它被推出空气流,此时它会不稳定地移动,”阿特沃特说。“推动这些帆的轻微压力面临同样的问题。我们必须设计风帆和阵列,以便帆可以稳定地骑在梁上。 “我们面临令人兴奋的问题,”阿特沃特补充道。“但我们认为有解决方案。”

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