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如何在深空中為航天器提供動力？ 美國宇航局的“旅行者1號”於三十年前發射，目前距離地球約100億英里（160億公里），它利用發射時的慣性以及它經過的行星的引力場，以每秒10.6英里（17.1公里）的速度向太陽系的邊緣加速。不幸的是，“旅行者1號”花費了如此長的時間才到達目前的位置，以至於到2025年，該探測器將耗盡其放射性同位素溫差發電機（RTG）提供的所有能量（該發電機將衰變的放射性材料（如鈽）的熱量轉化為電能），並且將不再有足夠的能量來執行其科學儀器或在它進入星際空間時向美國宇航局傳送訊息。任何希望走得更遠的飛行任務都需要一種加速手段，該手段可以在航天器耗盡放射性動力源之前，使其更快地到達已探索空間的邊緣。
許多人認為答案在於使用太空帆，利用太陽的能量，使航天器在逃離地球大氣層併到達深空後繼續加速。在超出太陽的影響範圍後，航天器將獲得比“旅行者1號”更快的巡航速度，並且可以透過慣性保持該速度，同時其RTG和/或其他發電機仍有充足的壽命為其儀器供電並與地球進行無線電通訊，從而使其在未來數十年內繼續執行任務。美國宇航局正準備在今年夏天測試一種新的太空帆，該帆利用陽光來提供這種加速，而芬蘭氣象研究所的一位科學家正在改進一種不同型別的太空帆的設計，該太空帆將使航天器以接近“旅行者1號”兩倍（每秒18.6英里，即30公里）的速度在太陽風中衝浪，太陽風是太陽發出的帶電粒子的連續流。
太空帆的概念可以追溯到16世紀，當時德國天文學家約翰內斯·開普勒首次提出了利用太陽能量推動物體在太空中的想法。如今，太空帆主要有三種類型：太陽帆（美國宇航局計劃測試的帆）、電力帆（正在芬蘭開發）和磁力帆（20世紀80年代流行的一種概念，但從未真正實現）。
美國宇航局在阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心和加利福尼亞州莫菲特菲爾德的艾姆斯研究中心的科學家計劃在一週內測試他們的太陽帆，該帆將搭乘由加利福尼亞州霍桑的太空探索技術公司（SpaceX）開發的獵鷹1號火箭進入太空。美國宇航局表示，在其為期兩週的任務中，重10磅（4.5千克）的NanoSail-D太陽帆將是第一個在太空中完全展開的帆，也是第一個將陽光作為飛行或軌道機動主要手段的帆。這個風箏形帆由鋁和塑膠製成，展開後具有約100平方英尺（9.3平方米）的採光表面。美國宇航局已花費超過230萬美元來開發其NanoSail-D技術。
在未來三年內，NanoSail-D可能會被另一個太陽帆所取代，該帆由加利福尼亞州帕薩迪納的非營利性太空倡導組織行星協會建造。該小組正在為Cosmos 2設計電子裝置、太陽能電池陣列和太陽帆電機，他們希望使用俄羅斯的聯盟-弗雷加特助推火箭將其發射升空，這類似於將宇航員、航天員和遊客送往國際空間站的技術。Cosmos 1太陽帆於2005年被送入太空（經過五年的開發和2001年發射失敗後），搭乘俄羅斯的Volna火箭。然而，潛艇發射的Volna火箭發生故障，從未進入軌道，因此該帆沒有機會展開並演示太陽帆的推進力。
行星協會執行主任路易斯·弗裡德曼表示，必須發射這些帆進行測試，因為地球大氣層中沒有太陽風。俄羅斯和日本已經測試了與太空帆類似的技術，但由於這些測試是在俄羅斯和平號空間站（已不在軌道）附近或在亞軌道飛行中進行的，“它們不是真正的太陽帆，”他說。
與此同時，芬蘭赫爾辛基的芬蘭氣象研究所的學院研究員佩卡·揚胡寧正在開發一種電力太空帆，該帆使用太陽風作為其推力來源，並且不需要燃料或推進劑。他說，該帆將由多達100根鋁或銅合金線組成——每根線大約長12.4英里（20公里），直徑為20微米（一微米約等於十萬分之四英寸）——這些線連線到可以調節線長度的卷軸上。每根線將透過連線到帆上的太陽能電子槍充電至20千伏。導線發出的電荷將與太陽風的等離子體發生反應，從而產生動量。揚胡寧說，使用電力帆的440磅（200千克）的航天器不到五年即可在地球和矮行星冥王星之間旅行。
他說，現在估計建造電力帆的成本還為時過早，但他指出，建造和飛行連線到電力太空帆的航天器最多可便宜四倍，因為它比傳統航天器更輕，並且只需要足夠的燃料將其發射出地球大氣層。一旦進入太空，增加推力可以透過在帆上新增更多導線或使導線更長來實現。
揚胡寧的工作正在從繪圖板轉向實驗室，他希望在三年內建造一個原型，他可以在地球大氣層外飛行該原型，以測試電力帆產生的推力。如果他的理論被證明是正確的（並且他可以使用長而帶電的導線來利用太陽風），那麼他及其同事還需要幾年時間才能建造出將導線安裝成帆狀並測試該結構推動某種航天器的能力所需的裝置。
磁力太空帆也將依靠太陽風來獲取動量。位於科羅拉多州萊克伍德的航空航天研發公司先鋒宇航公司的創始人兼總裁羅伯特·祖布林和火星學會主席，以及位於華盛頓州西雅圖的安德魯斯航天公司的首席技術官達納·安德魯斯在20世紀80年代構想了磁力帆，以改進太陽帆的設計。它不依賴陽光，而是利用太陽風的等離子體（以每秒310英里，即500公里的速度行進）作為其推進手段。
祖布林和安德魯斯利用等離子體被磁場偏轉這一事實，提出在航天器周圍放置一個像氣泡一樣的磁場，並讓太陽風推動航天器。然而，有一個小問題：創造磁場所需的超導線尚未開發出來。（該專案曾短暫地從美國宇航局高階概念研究所獲得了一些資金，但該組織於去年關閉。）“磁帆是一種等待技術的概念，”祖布林說。
歐洲航天局研究了在載人火星之旅中使用磁力帆的概念，但最終得出了與祖布林相同的結論。
當然，一旦這些帆超出太陽範圍，它們就無效了。當任何航天器到達距離太陽約370億英里（600億公里）時，“太陽風變得非常稀薄，然後停止，”揚胡寧說。在那時，他設想將其電力太空帆從航天器上丟擲，以便其動量將其飛出太陽系，利用機載核能（類似於“旅行者1號”）為其系統供電。
建造成功的太空帆的回報將是在無需推進劑的情況下無限增加航天器的速度。“這將使你以驚人的速度行進巨大的距離，”行星協會的弗裡德曼說。“這是我們所知道的唯一一項有一天可以帶我們前往星際的技術。”
*更正（08/01/08）：本文最初將成本確定為3000萬美元。