一項新的研究發現，由碳泡沫氣泡製成的宇宙飛船可以在185年內僅靠太陽能從地球飛到 半人馬座阿爾法星。
科學家補充說，如果這顆假設的行星存在，那麼這些探測器群可能有助於發現和研究我們太陽系神秘的 第九行星。
目前，由化學反應驅動的傳統火箭是太空推進的主要形式。然而，它們的效率還遠遠不足以在人類的生命週期內到達另一顆恆星。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
例如，半人馬座阿爾法星是離地球最近的恆星系統，距離地球約 4.37 光年，超過 25.6 萬億英里（41.2 萬億公里），約為地球到太陽距離的 276,000 倍。如果“旅行者1號”探測器朝正確的方向前進（但事實並非如此），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，則大約需要 75,000 年才能到達半人馬座阿爾法星。
所有傳統宇宙飛船推進器的共同問題是它們使用的推進劑具有質量。長途旅行需要大量推進劑，這使得宇宙飛船變得沉重，反過來又需要更多的推進劑，使其更重，以此類推。宇宙飛船越大，這個問題就呈指數級惡化。
因此，之前的研究表明，“光帆”可能是人類在有生之年將探測器送往另一顆恆星的唯一技術上可行的方法之一。儘管光不會產生太大的壓力，但科學家們已經確定，它所施加的微小壓力可能會產生重大影響。事實上，許多實驗表明，“太陽帆”可以依靠陽光進行推進，前提是有足夠大的鏡子和足夠輕的宇宙飛船。
2016 年宣佈的耗資 1 億美元的 突破攝星計劃旨在向半人馬座阿爾法星發射成群的微晶片大小的宇宙飛船，每艘飛船都配備極其薄、反射率極高的帆。該計劃讓這些“星晶片”以高達光速 20% 的速度飛行，大約 20 年即可到達半人馬座阿爾法星。
攝星計劃的一個缺點是它需要有史以來最強大的雷射陣列來推動星晶片向外飛行。不僅建造這個陣列的技術目前不存在，而且該專案的估計總成本可能達到 50 億到 100 億美元。
在這項新的研究中，天體物理學家建議，一種更便宜的選擇可能是使用碳泡沫製成的氣泡。研究人員發現，由這種材料製成的探測器可以在沒有巨型雷射陣列的情況下，僅靠太陽光就能比任何火箭更快地進行 星際旅行。
為了開發一種利用陽光推動光帆達到有用的星際速度的方法，研究人員分析了先前尋找堅固輕質材料的科學研究。他們最終選擇了氣石墨，一種比鋁輕 15,000 倍的碳基泡沫。
科學家們計算出，直徑約 3.3 英尺（1 米）、外殼厚度為 1 微米（約為人類頭髮平均寬度的 1%）的空心氣石墨球體重量僅為百萬分之五磅（2.3 毫克）。
氣石墨樣品，一種超高速太陽帆宇宙飛船的候選建造材料。（圖片來源：R. Heller）
如果將這樣一個攜帶 0.035 盎司（1 克）有效載荷的球體從距離太陽約一個天文單位 (AU) 的地方釋放，陽光會將其推至高達約 114,000 英里/小時（183,600 公里/小時）的速度——是“旅行者 1 號”的三倍。這樣一個球體大約需要 3.9 年才能到達 冥王星的軌道。（一個天文單位是地球到太陽的平均距離，約為 9300 萬英里，即 1.5 億公里。）
如果這樣一個球體從距離太陽約 0.04 天文單位的地方釋放——這是美國宇航局的 帕克太陽探測器離我們恆星最近的距離——那裡的陽光會更強烈，會將宇宙飛船加速到接近 1540 萬英里/小時（2480 萬公里/小時）。研究人員說，它可以 在 185 年內 走完地球和距離我們太陽系最近的恆星比鄰星之間 4.2 光年的距離。球體越大，速度越快，或者可以攜帶的有效載荷越多。（比鄰星是半人馬座阿爾法星系統中的三顆恆星之一。）
“我對我們研究結果感到驚訝的是，恆星的功率輸出（在我們的例子中是太陽）可以用來推動星際探測器到達最近的恆星，而無需額外的機載動力源，”該研究的主要作者、德國哥廷根馬克斯·普朗克太陽系研究所的天體物理學家 René Heller 告訴 Space.com。
“我們不需要耗資數十億美元的地面雷射陣列來照射太空中的帆，”Heller 說。“相反，我們可以使用綠色能源，可以這麼說。”
研究人員指出，幾克電子裝置或其他有效載荷對於一項任務來說並不多。不過，他們認為這些飛船的有效載荷將是飛船質量的 10 倍，而化學星際火箭的有效載荷通常是火箭重量的千分之一。
研究人員建議，這些宇宙飛船可能攜帶一個僅重千分之二磅（1 克）的 32 瓦雷射器。Heller 說，分析來自這種雷射束的任何擾動可能有助於研究人員探測引力效應，這反過來可能有助於揭示原本太暗太冷而無法發現的世界的存在，例如假設的 第九行星。
科學家們估計，開發一個氣泡飛船原型可能需要 100 萬美元。他們計算出，每艘泡沫飛船的建造費用可能約為 1,000 美元或更少，而發射火箭來部署和測試這些飛船可能需要 1000 萬美元。
目前這項工作最大的問題是“沒有人建造過大於幾釐米的氣石墨結構，而我們需要幾米大小的結構，”Heller 說。不過，研究人員與實驗人員保持聯絡，他們認為原則上可以製造出如此大的結構，他指出。
關於這個概念的另一個需要注意的問題是，目前還沒有辦法控制球體一旦部署後的軌跡。“為了到達某個目標，這需要糾正，”Heller 說。
Heller 說，如果機載電子裝置和裝置能夠實現主動機動，“那麼在幾周內將少量質量——1 到 100 克——在地球和火星之間運輸是可能的。”
科學家們設想用傳統火箭將氣泡飛船送入太空，然後部署它們以利用陽光推進。這些氣泡在運輸過程中能完好無損地存活下來還有待確定。
“氣石墨的一個優點是它的可壓縮性，”Heller 說。“即使經過極端壓縮，氣石墨樣品也可以重新膨脹到初始狀態。因此，如果我們在實驗室中壓縮一個米尺寸的氣石墨帆，也許我們可以將其運送到太空並在發射前在那裡重新膨脹。問題是，它的機載電子裝置會發生什麼？”
科學家們現在正在進行實驗，以測試氣石墨吸收和反射光的能力。他們在 7 月 7 日線上發表在《天文學與天體物理學》雜誌上的 研究結果中詳細介紹了他們的發現。
版權所有 2020 年 Space.com，Future 公司。保留所有權利。未經許可，不得釋出、廣播、改寫或重新分發此材料。