離子推進(jìn)器

1961年，蘇聯(lián)宇航員尤里•加加林成為人類進(jìn)入太空第一人。8年以后，美國(guó)宇航員尼爾•阿姆斯特朗和巴茨•奧爾德林成功地登上了月球的表面。這是至今為止人類所到過(guò)的最遠(yuǎn)距離。

除了經(jīng)濟(jì)預(yù)算和政治意愿等問(wèn)題以外，主要的障礙是目前的化學(xué)燃料火箭無(wú)法用于長(zhǎng)距離的深空飛行。雖然已經(jīng)可以把機(jī)器人探測(cè)器送往太陽(yáng)系外行星，但它們需要幾年時(shí)間才能到達(dá)那里。

至于造訪其他的恒星，可以說(shuō)是不可能的。例如美國(guó)的“阿波羅10號(hào)”宇宙飛船是迄今速度最快的載人航天器，其最高速度達(dá)到了每小時(shí)39895公里。但即使以這個(gè)速度飛行，那么到達(dá)距離地球最近的恒星系統(tǒng)——4光年遠(yuǎn)的半人馬座阿爾法星系，也需要12萬(wàn)年的時(shí)間。

因此，如果人類真的想進(jìn)行深空星際旅行并且前往比半人馬座阿爾法星系更遙遠(yuǎn)的地方，那么就需要采用一些新的技術(shù)。下面就是專家們提出的未來(lái)星際飛行的10項(xiàng)新技術(shù)。這些技術(shù)范圍廣泛，其可行性大不相同，其中一些也許不久就能夠?qū)崿F(xiàn)，而有一些也許根本就不可能實(shí)現(xiàn)。

離子推進(jìn)器

常規(guī)火箭是通過(guò)尾部噴出高速的熱氣體來(lái)產(chǎn)生推力的。離子推進(jìn)器采用相同的原理，但與噴射高溫氣體不同，它所噴出的是一束帶電粒子或離子。離子推進(jìn)器產(chǎn)生的推力雖然比較小，但關(guān)鍵的一點(diǎn)是，產(chǎn)生相同的推力所需的燃料，離子推進(jìn)器要比常規(guī)火箭少得多。只要離子推進(jìn)器能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，最終也能夠把飛行器加速到極高的速度。

目前一些航天器已經(jīng)使用了離子推進(jìn)器，例如日本的“隼鳥(niǎo)” 號(hào)小行星探測(cè)器和歐洲航天局的SMART-1月球探測(cè)器，而且這一技術(shù)也正在逐步地完善。

未來(lái)最有希望成為更遠(yuǎn)太空旅行飛船推進(jìn)器的，可能就是可變比沖磁等離子體火箭（VASIMR）。與通常采用強(qiáng)電場(chǎng)加速離子的離子推進(jìn)器有所不同，VASIMR使用射頻發(fā)生器（而不是像用于無(wú)線電廣播的發(fā)射器），把離子加熱到100萬(wàn)攝氏度。

VASIMR的工作原理是：在強(qiáng)大的磁場(chǎng)中，離子會(huì)以固定的頻率旋轉(zhuǎn)，將射頻發(fā)生器調(diào)諧到這個(gè)頻率，為離子注入額外的能量，從而大幅度增加推力。初步的測(cè)試結(jié)果相當(dāng)好。專家們認(rèn)為，如果一切順利，VASIMR將能夠推動(dòng)載人飛船在39天內(nèi)到達(dá)火星。

可行性：數(shù)年后可能實(shí)現(xiàn)。

核脈沖推進(jìn)技術(shù)

這種技術(shù)的基本思想是：在推進(jìn)火箭的尾部定期扔出一個(gè)核彈，用作推動(dòng)力的來(lái)源。

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）曾經(jīng)于1955年在代號(hào)為“獵戶座計(jì)劃”的項(xiàng)目中認(rèn)真地研究了核脈沖推進(jìn)，其目的是設(shè)計(jì)出一種快速的星際旅行方案。即使按照今天的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，DARPA的設(shè)計(jì)也非常“巨大”，它需要建造一個(gè)很大的減震器，外加一個(gè)用于保護(hù)乘客的輻射防護(hù)罩。這種方案看起來(lái)可行，但它可能會(huì)對(duì)大氣層造成嚴(yán)重的輻射問(wèn)題。當(dāng)首批核試驗(yàn)禁令頒布以后，這一計(jì)劃最終于20世紀(jì)60年代被取消。

盡管存在許多擔(dān)憂，一些科學(xué)家仍然在繼續(xù)提出新的核脈沖推進(jìn)方案。從理論上來(lái)說(shuō)，一艘由核彈驅(qū)動(dòng)的飛船速度可以達(dá)到光速的十分之一，以這樣的速度到達(dá)最近的恒星只需要40年。

可行性：完全有可能實(shí)現(xiàn)，但存在風(fēng)險(xiǎn)。

核聚變動(dòng)力火箭

除了核脈沖推進(jìn)，還有其他依靠核能的推進(jìn)技術(shù)。例如，在火箭上安裝一個(gè)裂變反應(yīng)堆，利用其產(chǎn)生的熱量來(lái)噴射氣體提供推力，這就是核裂變動(dòng)力火箭。但是就威力而言，核裂變動(dòng)力火箭根本無(wú)法和核聚變動(dòng)力火箭相比。

在核聚變反應(yīng)中，核子被迫進(jìn)行聚合從而產(chǎn)生巨大的能量。大多數(shù)的核聚變反應(yīng)堆都是利用被稱為“托卡馬克”的裝置，將燃料限制在一個(gè)磁場(chǎng)之中來(lái)驅(qū)動(dòng)聚變反應(yīng)的。但是，托卡馬克裝置極為笨重，并不適用于火箭。因此，核聚變動(dòng)力火箭必須采用另一種觸發(fā)聚變的方法，即慣性約束核聚變。這種設(shè)計(jì)以高功率能量束（通常是激光）來(lái)取代托卡馬克裝置中的磁場(chǎng)，通過(guò)劇烈引爆小顆粒燃料導(dǎo)致外層爆炸，進(jìn)而推動(dòng)內(nèi)層物質(zhì)觸發(fā)核聚變。當(dāng)核聚變反應(yīng)發(fā)生后，磁場(chǎng)會(huì)引導(dǎo)所產(chǎn)生的高溫離子從火箭尾部噴出，實(shí)現(xiàn)核聚變火箭的推進(jìn)力。

在20世紀(jì)70年代，英國(guó)星際學(xué)會(huì)詳細(xì)地研究了這一類型的核聚變動(dòng)力火箭，它們可以在50年內(nèi)（對(duì)于人類來(lái)說(shuō)這一時(shí)間跨度尚可承受）把人類送往另一顆恒星。

美中不足的是，盡管研究人員已經(jīng)努力了幾十年，但是至今還沒(méi)有一個(gè)可以工作的核聚變反應(yīng)堆。

可行性：有可能，但最少還要幾十年。

巴薩德沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

所有的火箭，包括核聚變動(dòng)力火箭，都存在一個(gè)相同的關(guān)鍵難題：為了獲得更高的加速度，就必須攜帶更多的燃料，這就會(huì)使火箭變得更重，最終又降低了加速度。因此，如果真想進(jìn)行星際旅行，就應(yīng)該避免攜帶任何燃料。

1960年美國(guó)物理學(xué)家羅伯特•巴薩德提出的沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，或許可以解決這一難題。它的原理和上述核聚變動(dòng)力火箭一樣，但是它并不需要攜帶核燃料，它首先是將周圍太空中的氫物質(zhì)進(jìn)行電離，然后利用強(qiáng)大的磁場(chǎng)吸收這些氫離子作為燃料。

雖然沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有上述核聚變動(dòng)力火箭中的反應(yīng)堆問(wèn)題，但是它所面臨的是磁場(chǎng)大小的問(wèn)題。由于星際空間中氫物質(zhì)很少，因此它的磁場(chǎng)必須要足夠大才行，甚至要延伸到數(shù)百乃至數(shù)千公里之外。除非是發(fā)射前進(jìn)行精密的計(jì)算，設(shè)計(jì)出飛船飛行的精確軌道，這樣就不需要巨大的磁場(chǎng)。不過(guò)這種想法又出現(xiàn)另外一個(gè)問(wèn)題，那就是飛船必須要按既定軌道飛行，不得偏離，而且也使得往返其他恒星變得極為困難。

可行性：存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

太陽(yáng)帆

這是另一項(xiàng)不需要攜帶足夠燃料并且可以達(dá)到極高速度的技術(shù)，不過(guò)它需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程。

正如傳統(tǒng)的利用地球大氣層中風(fēng)能的風(fēng)帆，太陽(yáng)帆汲取的是太陽(yáng)光中的能量。太陽(yáng)帆推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在地球上的真空室中成功地進(jìn)行了測(cè)試，但在太空軌道上的測(cè)試卻遭到不幸。例如，2005年，總部設(shè)在加利福尼亞州帕薩迪納的美國(guó)行星協(xié)會(huì)訂制的世界第一艘太陽(yáng)帆飛船“宇宙1號(hào)”，因?yàn)榛鸺七M(jìn)器出現(xiàn)故障而發(fā)射失敗。

盡管在初期出現(xiàn)了各種問(wèn)題，但是太陽(yáng)帆仍然是一個(gè)非常有前途的未來(lái)太空技術(shù)，至少它可以保證在太陽(yáng)系內(nèi)飛行，太陽(yáng)的光線可以為它提供最強(qiáng)大的推進(jìn)力。

可行性：完全有可能，但適應(yīng)空間有限。

磁場(chǎng)帆

磁場(chǎng)帆是太陽(yáng)帆的一個(gè)“變種”。與太陽(yáng)帆不同的是，磁場(chǎng)帆是由太陽(yáng)風(fēng)提供推動(dòng)力，而不是由太陽(yáng)光提供推動(dòng)力。
太陽(yáng)風(fēng)是一種擁有自己磁場(chǎng)的帶電粒子流。科學(xué)家的一種想法是，在太空飛船周圍制造一個(gè)與太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)相排斥的磁場(chǎng)，這樣就可利用磁場(chǎng)的排斥力推動(dòng)飛船飛行。

另一個(gè)變種是“太空蜘蛛網(wǎng)”，這種技術(shù)就是在太空飛船周圍延伸出一個(gè)帶正電的電網(wǎng)，這樣的電網(wǎng)可以與太陽(yáng)風(fēng)中的大量的正離子相排斥，從而獲得推進(jìn)力。

磁場(chǎng)帆或者類似的技術(shù)還可以利用行星的磁場(chǎng)來(lái)使飛船改變自身的軌道，甚至駛離行星際空間。

然而，太陽(yáng)帆和磁場(chǎng)帆都不適合星際旅行。當(dāng)它們遠(yuǎn)離太陽(yáng)的時(shí)候，陽(yáng)光和太陽(yáng)風(fēng)的強(qiáng)度就會(huì)急劇下降，因此它們無(wú)法達(dá)到飛往其他恒星所必需的速度。

可行性：只適合太陽(yáng)系內(nèi)旅行。

能量束推進(jìn)技術(shù)

如果太陽(yáng)沒(méi)有足夠的能量來(lái)推動(dòng)真正的高速星際飛船，那么也許可以通過(guò)向飛船發(fā)射能量束來(lái)做到這一點(diǎn)。

這項(xiàng)技術(shù)之一就是激光燒蝕，即利用從地面上發(fā)射出的強(qiáng)大的激光來(lái)燒蝕飛船尾部的特殊金屬，金屬逐漸蒸發(fā)形成蒸汽，從而提供推進(jìn)力。

另一種相似的技術(shù)就是由美國(guó)物理學(xué)家和科幻小說(shuō)家格雷戈里•本福德提出的，為飛船裝配涂有特殊涂料的太陽(yáng)帆。從地球上發(fā)出的微波束可以蒸發(fā)這些涂料，從而產(chǎn)生推力。這可以加快星際旅行的速度。

進(jìn)行星際旅行，最好的方法可能是使用激光來(lái)推動(dòng)光帆。美國(guó)物理學(xué)家羅伯特•福沃德在1984年的一篇論文中首次提出了這一設(shè)想。

能量束推進(jìn)技術(shù)也存在許多重大挑戰(zhàn)。首先，能量束必須在遠(yuǎn)距離上精確地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)；其次，飛船必須要能夠極為高效地利用所提供的能量；另外，產(chǎn)生能量束裝置的功率必須非常強(qiáng)大——在某些情況下，所需的能量甚至超過(guò)了目前人類的總能量輸出。

可行性：存在極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

時(shí)空扭曲技術(shù)

1994年，英國(guó)威爾士卡迪夫大學(xué)物理學(xué)家米格爾•阿爾庫(kù)比雷首次提出了類似《星際迷航》中的時(shí)空扭曲技術(shù)。這一技術(shù)將使用尚未被發(fā)現(xiàn)的、具有負(fù)質(zhì)量和負(fù)壓力的“奇異物質(zhì)”。它可以扭曲時(shí)空，從而使飛船快速接近前方的空間，而后方的空間在不斷擴(kuò)張。飛船就好像處于一個(gè)不斷膨脹的“彎曲泡”中，可以飛得比光速快，而且不會(huì)違背相對(duì)論的原理。

然而，這種技術(shù)存在許多問(wèn)題。首先，為了維持這種時(shí)空扭曲，需要巨大的能量，這種能量或許會(huì)比整個(gè)宇宙的全部能量都要大。其次，它會(huì)產(chǎn)生大量威脅宇航員生命的輻射。另外，也沒(méi)有證據(jù)表明存在這樣一種特殊的物質(zhì)。
更為關(guān)鍵的是，2002年發(fā)表的計(jì)算證明，飛船無(wú)法往“彎曲泡”的前方發(fā)送信號(hào)，這就意味著宇航員將無(wú)法操控飛船。事實(shí)上，無(wú)論能提供多少能量，從物理學(xué)上講似乎都不可能產(chǎn)生這樣的“彎曲泡”。

可行性：顯然不可能。

蟲(chóng)洞利用技術(shù)

自從愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論被廣泛接受以來(lái)，人們已經(jīng)從理論上證明蟲(chóng)洞可能存在。“蟲(chóng)洞”這個(gè)概念是創(chuàng)造了“黑洞”一詞的美國(guó)著名物理學(xué)家約翰•惠勒提出的，意思是宇宙中可能存在連接兩個(gè)不同時(shí)空的狹窄隧道。

關(guān)鍵的問(wèn)題是，蟲(chóng)洞確實(shí)存在嗎？如果存在，我們是否能夠從中穿過(guò)？遺憾的是，這兩個(gè)問(wèn)題的答案很可能都是“不”。

如果蟲(chóng)洞要存在，就必須要由上文中阿爾庫(kù)比雷所提出的“奇異物質(zhì)”來(lái)穩(wěn)定，但是目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這樣的物質(zhì)。另外，雖然可以用特殊的負(fù)能量場(chǎng)來(lái)維持蟲(chóng)洞處于張開(kāi)的狀態(tài)，但進(jìn)入蟲(chóng)洞的任何物質(zhì)或者能量都會(huì)立即使它關(guān)閉。不過(guò)，20世紀(jì)90年代俄羅斯物理學(xué)家謝爾蓋•克拉斯尼可夫提出了一種不同類型的蟲(chóng)洞。由于自身可以制造出“奇異物質(zhì)”，因此這一類型的蟲(chóng)洞可以自我維持。

另一個(gè)明顯反對(duì)蟲(chóng)洞的理由是，如果蟲(chóng)洞可以用于穿越空間，那么它也可以被用來(lái)創(chuàng)建一種時(shí)間機(jī)器。這將違反因果規(guī)律。

可行性：幾乎肯定不可能。

多維空間技術(shù)

通常能夠看到的宇宙空間是三維的。德國(guó)物理學(xué)家布克哈德•海姆提出，如果宇宙存在更多的空間維度，飛船則可以穿行其中，實(shí)現(xiàn)極端速度。不過(guò)布克哈德•海姆的這一想法在很大程度上是不可理解的，也從來(lái)沒(méi)有得到過(guò)同行們的認(rèn)可。

可行性：難以理解。

來(lái)源：《自然與科技》雜志作者：李有觀（作者為自由撰稿人）