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一項新的研究發現，如果在超薄、高反射率的風帆科學方面取得突破，巨型雷射器可能確實可以將宇宙飛船艦隊發射到半人馬座阿爾法星，這種風帆可以捕捉到雷射的光。
耗資 1 億美元的“突破攝星”計劃於 2016 年宣佈，計劃使用強大的雷射器將成群的微型宇宙飛船發射到離我們最近的恆星系統半人馬座阿爾法星。雖然使用雷射炮進行宇宙飛船推進聽起來像科幻小說，但之前的研究表明，“光帆航行”可能是人類一生中將探測器送往另一顆恆星的唯一技術上可行的方法之一。
雖然半人馬座阿爾法星是離地球最近的恆星系統，但它仍然位於大約 4.37 光年之外。這相當於超過 25.6 萬億英里（41.2 萬億公里），或超過地球到太陽距離的 276,000 倍。[突破攝星計劃的星際任務圖片]
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傳統的火箭效率遠不足以在人類一生中覆蓋到半人馬座阿爾法星的巨大距離。例如，美國宇航局的旅行者 1 號宇宙飛船——於 1977 年發射，並於 2012 年進入星際空間——大約需要 75,000 年才能到達半人馬座阿爾法星（如果探測器朝著正確的方向前進，但實際上並非如此）。
目前宇宙飛船用於推進的所有推進器的共同問題是，它們攜帶的推進劑具有質量。長途旅行需要大量的推進劑，這使得推進器變得沉重，反過來又需要更多的推進劑，使其更重，依此類推。而且，宇宙飛船越大，這個問題就呈指數級惡化。“攝星計劃”提出，宇宙飛船不攜帶推進劑進行推進，而是配備類似鏡子的風帆，並依靠雷射來推動這些探測器向外飛行。
“這是一個非常大膽的目標，”研究的主要作者、加州理工學院帕薩迪納分校的材料科學家和應用物理學家哈里·阿特沃特告訴 Space.com。
雖然光不會施加太大的壓力，但之前的工作表明，陽光可以用於太空飛行。日本的 IKAROS（行星際風箏式飛船太陽輻射加速器）任務於 2010 年發射，是第一個成功在行星際空間演示太陽帆技術的宇宙飛船，達到了約 895 英里/小時（1,440 公里/小時）的最高速度。
“攝星計劃”旨在利用地球上的雷射陣列（功率高達 100 吉瓦）將微晶片大小的宇宙飛船發射到半人馬座阿爾法星。“這將是迄今為止人類建造的最大的雷射器，”阿特沃特說。
“星晶片”將以高達光速 20% 的速度飛行，並在大約 20 年內到達半人馬座阿爾法星，每個晶片都使用 1 瓦的雷射器及其風帆與地球通訊。“攝星計劃”的目標是每年發射多達數萬個星晶片。因此，希望即使許多晶片失敗，其他許多晶片也能到達遙遠的星系——並可能近距離觀察比鄰星 b，這是一顆可能適宜居住的行星，圍繞該星系的三顆恆星之一執行。
根據新的研究，每個星晶片的風帆設計尺寸約為 108 平方英尺（10 平方米），質量小於 1 克，這意味著它應該只有大約 100 個原子厚。該研究於今天（5 月 7 日）線上發表在《自然·材料》雜誌上。研究人員指出，製造一種具有反射性、輕便且足夠堅固的風帆，以完成前往半人馬座阿爾法星的旅程，這是一項挑戰，它突破了現有科學的界限。
“我們為研究人員進一步朝著這個星際目標邁進提供了初步路線圖，”阿特沃特說。[相簿：未來星際飛船旅行的願景]
“攝星計劃”雷射陣列可能會發射特定波長的近紅外光束，地球大氣層對這些光束是透明的。“攝星計劃”的風帆不僅需要反射這些波長，而且最好只吸收極少量的能量，以免在被“攝星計劃”極其強烈的雷射擊中時升溫並被摧毀。此外，風帆必須足夠輕薄，才能被雷射儘可能強烈地推動。
此外，就像救護車警報器在車輛駛向您時聽起來音調較高，而在車輛駛離時音調較低一樣，隨著風帆離雷射器越來越遠，它們接收到的光線會發生紅移，這個過程稱為多普勒頻移。研究人員解釋說，理想情況下，風帆還應該反射這些更紅的波長，以便從雷射束中獲得儘可能多的推進力。
科學家們發現，沒有已知的材料具有完美結合的特性來充當“攝星計劃”的風帆。例如，雖然金和銀等金屬是近紅外光的優良反射器，但它們會從“攝星計劃”的雷射器中吸收過多的能量而無法生存。
不過，許多材料至少具有一些所需的特性，這表明它們可以充當“攝星計劃”的風帆。這些材料包括晶體矽和二硫化鉬。
在尋找一種儘可能多地反射光線同時保持低質量的風帆方面，科學家們建議使用帶有六邊形孔格的風帆來減輕重量。研究人員還指出，控制風帆的微觀結構——例如使用奈米（十億分之一米）厚的交替材料層——可以提高其反射率並降低其吸收率。
在“星晶片”將要行駛的極高速度下，即使是微小的撞擊也可能摧毀這些探測器。不過，之前的工作表明，氫氣和氦氣分子可能會穿過風帆，而不會產生這種影響。此外，雖然之前的研究表明，每個風帆在前往半人馬座阿爾法星的途中可能會遇到大約十億個塵埃顆粒，但這種撞擊可能會穿孔，造成的孔洞面積不到總風帆面積的 0.1%。
未來的挑戰包括探索各種材料在受到強大雷射和極高加速度時的效能。此外，研究人員必須研究如何製造和處理大片極薄的薄膜，以及如何將這些精密的元件組裝成風帆，研究人員說。
“肯定會存在製造方面的挑戰，但沒有什麼超出可能範圍，”阿特沃特說。“這些都是真實的材料，而不是‘難得素’。”
此外，進一步的研究應探索風帆的形狀和雷射束在風帆上的足跡如何有助於提高其在太空中的飛行穩定性。例如，科學家們可能會研究球形風帆和甜甜圈形狀的光束。
“如果你想想吹葉機，它可以有效地將葉子吹走，直到它被吹出氣流，此時它會不穩定地移動，”阿特沃特說。“推動這些風帆的光壓也面臨著同樣的問題。我們必須以某種方式設計風帆和陣列，以便風帆可以穩定地在光束上執行。”
“我們面臨著令人興奮的問題，”阿特沃特補充道。“但我們認為存在解決方案。”
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