人類是否能實現星際旅行,能不能創造超光速太空飛行器

fans news 發佈 2021-11-25T04:32:12+00:00

在我們殖民月球、火星和系外行星的計劃中,最大的挑戰之一是時間。雖然今天的宇宙飛船無疑是更先進的,估計從地球到火星需要六個月,而太陽系的其他行星需要更長的時間。

在我們殖民月球、火星和系外行星的計劃中,最大的挑戰之一是時間。雖然今天的宇宙飛船無疑是更先進的,估計從地球到火星需要六個月,而太陽系的其他行星需要更長的時間。

這種長途旅行的前景,需要考慮到太空對我們心理和生理的影響,這樣會不會相當令人不安。儘管科幻作家和理論家提出了諸如讓殖民者冬眠或世代飛船等解決方案。而有一種更有利的觀點認為,能夠使我們更快、更便宜地進行星際旅行的引擎設計。

太空飛行器基本問題

目前,太空飛行器的動力來自火箭燃料,包含火箭的三個成員。在發射進入太空並穿越平流層後,第一和第二成員逐漸與火箭分離,以增加太空飛行器的升力,減輕負載。牛頓熱力學定律規定,火箭發動機必須產生儘可能多的熱量,才能轉化為機械能,這取決於燃燒室的溫度和壓力。為了讓火箭升空,推力(燃燒氣體通過發動機噴嘴噴射時產生的力)必須大於火箭的重量。

在發射過程中,燃料必須在正確的時間加載,以達到及時發射火箭所需的推力。如果程序被打斷(例如,由於天氣),燃料必須提前卸載。

火箭推進裝置有幾種類型。液體燃料(液氧、液氫或煤油等燃料)目前被認為是效率最高的燃料,因為液體燃料火箭比固體燃料火箭輕(固體燃料火箭更便宜,但推力無法控制)。

目前,長途星際旅行將意味著你需要攜帶大量的燃料,它的重量需要更多的燃料來產生足夠的推力。為了繼續進行星系探索,我們必須以某種方式解決這個悖論,最好是為我們的宇宙飛船找到一種替代的、更快地推進系統。

阿爾庫貝爾推進(曲速驅動)

火箭推進最流行的替代方案是曲速引擎,吉恩·羅登伯里在創作著名的《星際迷航》系列時提出了這一概念。曲速引擎應該達到所謂的曲速,這是一種與真空中的光速相等或大於光速的速度,通過曲速引擎本身在時空中產生的氣泡運動來實現。宇宙飛船會產生一種被稱為扭曲場的東西,它會使時空彎曲,使它們周圍的空間凝結,然後在飛船後面延伸。

如今,曲速引擎(如《星際迷航》中描述的那樣)被認為沒有什麼科學依據,尤其是與量子力學相矛盾。彎曲的時空需要產生巨大的能量。在《星際迷航》中,這是通過反物質與物質的可控反應來實現的,但根據詳細的相對論,時空的曲率必須為負,質量為負,引力斥力為負。到目前為止,理論上唯一具有這種特性的物質就是所謂的外來物質。

然而,1994年,墨西哥國立自治大學(university of national Autonoma de Mexico)的教授米格爾·阿爾庫維耶雷(Miguel Alcubierre)發表了一篇論文,概述了物質在真空中比光更快的理論可能性。根據阿爾庫維耶雷的說法,當一個彎曲的時空氣泡在宇宙飛船周圍形成時,它會在宇宙飛船前面收縮,在飛船後面膨脹;在中間,它將是平的,從而確保船員將在安全的零重力。根據廣義相對論(任何被賦予質量的物體都會使其周圍的空間彎曲),外來物質或其他負質量的曲率源,將需要阿爾庫維耶雷的驅動才能起作用(該質量最初被設想為木星的大小)。

1996年至2002年間,美國國家航空航天局的馬克·g·邁爾斯(Marc G. Miles)團隊,研究了阿爾庫比耶雷動力的理論方面,但該項目的資金在2008年被撤回。NASA重新考慮在2012年10月,哈羅德·懷特是準備談論所謂的100年的星際飛船項目(來自各領域的科學家在解決星際旅行在一個世紀的問題通過分享知識和發展必要的技術)。然後,他對自己的方程式進行了現場分析,發現了一些東西,可以推動阿爾庫維耶雷驅動器的發展朝著正確的方向發展。

白色的概念是基於事實,通過增加負能量的密度在真空和捲曲在一個泡沫,使所需的能量的物質迅速過渡從A到B將大大減少,從而提高阿爾庫比爾推進驅動器工作的可能性。更重要的是,懷特認為,通過這種方式,即使是一個旅行者1號(約825.5千克)質量的物體也能讓我們進行星際旅行。

自2012年以來,懷特和他的團隊一直在進行實驗,以證明阿爾庫維耶雷的推進理論。起初,他使用了麥可遜.莫雷干涉儀,這個干涉儀被設計用來計算時空中的微觀運動。

然而,隨著時間的推移,他改進了干涉儀,使用氦氖雷射器,其光束分成兩條路徑(這種改進被稱為白-朱迪干涉儀)。將一個時空曲率裝置應用於其中一條路徑,將其與另一條路徑進行比較。通過應用解析二維信號處理,可以提取場地幅值和相位,然後與理論模型進行比較。

早期,人們曾嘗試觀察在20kv以上的鈦酸鋇電容器中,電場能否產生時空曲率;在2013年的星際飛船大會上,懷特宣布了他的研究結果——在信號處理後,帶電和不帶電狀態之間有一個微小的非零差異,但由於外部干擾和計算處理的限制,它是模糊的。相比之下,在2014年8月的NASA艾姆斯研究研討會上,懷特排除了這個過程中外來物質的存在。

然而,使用白朱迪干涉儀的研究可能會讓我們離創造真正的曲速引擎更近一步。

等離子體推進

我們最近了解到,普林斯頓等離子體物理實驗室的Fatima Ebrahimi博士提出了一種新的推進概念,使長距離太空旅行成為可能。Ibrahimi公司的推進系統是基於等離子體發動機,該發動機利用磁場從噴管中噴射等離子體,從而產生推力。該發動機的工作原理是磁場重聯,依靠磁場線交叉和快速分離所產生的能量。這種技術被應用在托卡馬克上,托卡馬克是一種可以發生受控熱核反應、產生熱等離子體的裝置。

Ebrahimi說,她在2017年想到了新引擎的想法:

「坐在甲板上,思考汽車排氣系統和PPPL國家球形環面實驗(NSTX;國家球形環面實驗)。在操作過程中,這個托卡馬克會產生一種叫做等離子體團的磁性氣泡,它以每秒20公里的速度移動,我認為這與推力非常相似。」

Ebrahimi博士花了數年時間研究受控熱核融合,這項研究成為她等離子發動機概念的基礎。Ebrahimi的想法是利用地球上可用的方法(如托卡馬克)來驅動我們的太空飛行器,從而利用驅動太陽的能量。

「長途旅行需要幾個月或幾年,因為化學火箭發動機的比衝量很低,所以飛船需要一些時間來獲得速度。但如果我們製造基於磁重聯的噴氣發動機,我們可以想像在更短的時間內完成遠距離任務。」

根據Ebrahimi的估計,如果能製造出等離子發動機,那麼到月球旅行只需幾個小時,到火星旅行只需三周(而不是火箭發動機所需六個月)。

利用等離子體作為推進裝置並不是什麼新想法,因為PPPL的其他科學家Yevgeny Raitses和Nathaniel Fisch正在領導一個名為Hall推進器實驗的項目,利用等離子體粒子推進太空飛行器。

然而,目前等離子體推進的工作還處於模擬階段,但Ebrahimi打算很快製造出一個原型發動機。

核能發展

早在1955年,NASA就在考慮創建核動力發動機——NTP。NTP的創始人是沃納·馮·布勞恩,美國太空計劃之父。核火箭將由鈾燃料提供動力,鈾燃料會裂變,從而釋放出大量的熱量(2500攝氏度),當從噴口噴出時,它將達到比傳統火箭發動機高得多的速度。核動力引擎意味著,如果我們想去火星旅行,我們不必等到地球和這顆紅色星球的配置要求儘可能短的旅行——我們可以在任何一天飛出去,而無需等待一個「窗口」。

美國政府曾多次考慮利用原子能為太空火箭提供動力,美國國家航空航天局(NASA)創建了幾個項目,探索NTP的概念,並建造了第一枚核火箭原型。首先是1955年的「火星車項目」,在這個項目中,洛斯阿拉莫斯科學實驗室的工程師建造並測試了12個不同大小和功率的反應堆。然後,在20世紀60年代末,核動力火箭運載工具應用(NERVA)計劃啟動,該計劃開發了製造可以將人類送上火星的核火箭所需的技術。與此同時,獵戶座計劃也在進行中,其中包括使用核爆炸脈衝。

然而,宇宙飛船上的核反應堆將意味著除了太空本身之外,另一個輻射源。此外,由於輻射和潛在的爆炸,核動力裝置無法在地球大氣層中點火。此外,當時工程師唯一可以使用的核燃料是高濃縮鈾。由於這個原因和美國公眾對核戰爭的恐懼,NERVA項目在1973年被關閉。然而,NASA幾次又回到了核動力推進的概念上——在1987年至1991年之間,Timberwind項目使NERVA火箭的設計更輕、更高效。2003年,普羅米修斯計劃啟動,但在2005年終止。然而,在2017年,NASA授予BWX技術公司一份為期三年的合同,開發製造核引擎所需的燃料組件和反應堆。

然而,最近核動力火箭的話題又浮出水面。首先,在2018年,俄羅斯宣布他們已經進行了一次核動力火箭的試驗——在這次試驗中,一種創新的冷卻系統成功阻止了核引擎過熱和可能爆炸。唐納·川普總統隨後下令NASA恢復美國核推進系統的工作。

如今,利用核能進行星際旅行的前景是相當現實的,因為不僅美國宇航局的科學家能夠研究更安全的低濃度鈾,而且美國無人機已經在使用小型核系統,新視野號探測器就是一個例子。

然而,總體而言,目前看來,核動力似乎是目前火箭推進的所有替代方案中最有希望的。與阿爾庫別雷推進或等離子體推進不同,它的背後不僅有理論背景,而且有許多在實踐中使用它的嘗試。

儘管如此,幾十年來公眾對核能仍有一種厭惡情緒,美國宇航局如果想在未來發射核動力載人飛船,就必須修改有關太空核材料的規定。也許在未來的等離子體推進或阿爾庫別雷推進將達到如此高的水平,他們將在未來幾十年帶我們去火星。

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