前往火星要6個月,去比鄰星要7萬年,什麼能源能助人類突破太陽系

自從人類看到天空的那一天起就在幻想飛上去看看那是一個怎樣的世界。尤其在現代天文學乃至航天學建立之後在具備了太空探索的基本能力後更加對其他星球充滿了嚮往。可是當我們實實在在展開太空探索時才發現自己的能力有麼有限。

目前人類發射的所有探測器中飛出最遠的就是旅行者1號目前距離我們也只有223億公里。這個數字看似非常驚人但它距離比鄰星仍然非常遙遠需要7-10萬年才能到達。在太空中人類探測器比烏龜還慢。

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圖片說明1997年卡西尼號探測器升空畫面目前人類的火箭發射仍然完全依賴於化學燃料

我們也不必過於失望雖然現在的探測器還非常慢但我們目前已經掌握了4種可以達到更加驚人速度的方法。只不過這些方法目前仍然不成熟。一旦其中一個能夠實現突破那麼我們飛出太陽系的那一天也指日可待了。

核動力火箭

雖然人類的探測器已經開始嘗試利用核裂變的方式發電了但想利用核能給整個火箭供電仍然還只是個概念。目前來說火箭燃料還是以液氫較為常見另外如甲烷、偏二甲肼等也都有使用。總之我們仍然是依靠化學反應來給火箭提供動力。

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圖片說明美國國家點火設施專門研究人造太陽即可控核聚變

我們知道這樣的反應所提供的能量非常有限因為其能量來源不過是化學鍵重新組合所產生的能量差。而一個原子99。95%的能量都集中在原子核中如果我們能利用這些能量那麼將會大大提升火箭的速度。沒錯這就是核反應。

根據愛因斯坦的質能方程1公斤化學物質反應釋放的能量大約相當於1毫克的質量而如果是利用中子轟擊鈾使其裂變的話則可以獲得相當於955毫克質量的能量幾乎是化學燃料的1000倍。想一想TNT炸藥和原子彈威力的區別就更容易理解二者之間的巨大差距了。

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這還只是核裂變。如果我們能夠利用核聚變來提供能量那麼火箭能夠獲得的動力就更加可觀了。想一想核聚變可是氫彈的基本原理如果是1公斤的氫聚變為氦那麼我們獲得的能量將相當於7。5克的質量非常驚人如果我們能夠利用核聚變的原理來給火箭加速那麼它能獲得的加速時長將遠遠超過現在的一切燃料這可以讓我們用幾百年甚至幾十年就抵達比鄰星。

不過目前我們的核聚變還沒有發展成熟無法實現可控的核聚變反應這也是全世界各個國家正在全力攻克的難題。前不久媒體剛剛報道了人類第一座核聚變反應堆展開建設預計在2025年建成。不過如此巨大的反應堆肯定不能用在火箭上至於火箭什麼時候能夠用上小型的核聚變反應堆目前也不得而知有人認為要等到2100年。

反物質

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同樣是利用質能方程的原理反物質比核聚變的能量轉化率高得多。或者我們可以誇張地說對於反物質來說無所謂什麼能量轉化率因為它的原理就是把所有的物質轉化為能量轉化率100%。

反物質的原理非常簡單一對相反的物質在一起會發生湮滅現象完全變為能量。僅僅1克反物質與等量物質完全湮滅就會產生1。8×10^14焦耳的能量相當於3顆廣島原子彈可見其威力有多麼巨大。如果我們能夠將這樣的能量利用在火箭上產生的推力將相當驚人。

但是我們對於反物質的瞭解還比較有限目前也無法真的在實踐中利用反物質其主要難點集中在三個方面

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圖片說明歐洲核子研究中心反物質工廠

如何創造穩定的、中性的反物質

怎樣將反物質與正常物質分開開來實現對其的精確和長時間控制

對反物質的批次生產使其能夠在實踐中被人類利用。

目前來說前兩個問題已經在一定程度上得到了解決。

在歐洲核子研究中心的反物質工廠科學家們已經嘗試將反質子與正電子結合成功製造了反原子實現了歷史性的突破。同時他們能夠利用磁場和電場將這些製備出來的反物質禁錮在遠離普通物質的位置使其穩定存在了約1個小時。

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圖片說明反物質火箭假想圖

目前我們唯一無法攻克的就是批次生產反物質。人們一直調侃反物質是世界上最貴的物質生產一克就需要至少幾千億美元。如果有一天我們實現了批次生產反物質屆時我們對反物質的儲存也將更加遊刃有餘。那麼反物質火箭想必也不會太遠它將透過令人震驚的強大推力幫助我們探索這個宇宙。

暗物質

和反物質相比暗物質就更加神秘了目前沒有人知道暗物質到底是什麼只知道它佔了全宇宙質量的85%左右。

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圖片說明雖然目前還不瞭解本質但我們知道暗物質在銀河系內廣泛分佈甚至也出現在了太陽系

有些人認為暗物質的本質也是一種玻色子而且有一點非常特別它就是自己的反物質。他們相信雖然機率並不高但是在很少的情況下它們會自己之間發生湮滅現象從而提供大量的能量為火箭提供動力。

在宇宙中很多遙遠的星系中心都有著驚人的伽馬射線暴。不同的科學家對這些伽馬射線的來源給出了不同的見解其中一些就按照剛才我們提到的理論來分析認為這股強大的能量就來自於暗物質之間的湮滅。如果我們將它利用在火箭上那麼同樣可以實現速度的飛躍。同時由於暗物質在銀河系隨處可見我們不需要補充能量完全可以就地取材持續加速。

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而且如果真的可以不攜帶燃料那麼人類的太空探索將實現更多的“不可能”。火箭可以在不超過光速的條件下無限加速極大地擴充套件我們的探索範圍。

不過這個想法目前仍然只是個想法它首先依賴於暗物質的特性必須要滿足上面我們提到的這個猜想。如果暗物質被證明並不具備這個特性那麼前面說的一切都沒有意義。即使我們有一天證明了暗物質有這樣的性質也仍然需要解決其他一些問題如

如何促進反物質之間的湮滅

如何引導能量的釋放方向確保火箭按照我們需要的方向前進

怎樣有效地控制反應的速率和規模讓火箭能夠按照我們的要求執行。

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太陽帆

太陽帆的概念早在幾百年前就被提起著名天體物理學家開普勒在看到彗星後發現太陽有一種讓彗星的彗尾甩向某側的力量認為這可以幫助人類的工具穿越空間。

到了前幾年著名物理學家霍金曾經鼎力支援的突破攝星計劃也是以太陽帆為基礎希望能夠透過這種方式實現在20年內抵達比鄰星的驚人速度。據介紹它甚至可以使探測器達到20%的光速甚至更快。

現在我們知道太陽帆的動力源來自於一種叫做光壓的力量。由於太陽光不會斷所以太陽帆也可以持續飛行。而為了獲得更大的推力太陽帆必須足夠大甚至達到幾百米甚至幾千米的直徑。好在宇宙中天體的距離都非常遙遠所以完全不必擔心太陽帆會撞到什麼天體。

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圖片說明目前最有望接近光速的動力模式——太陽帆

目前來說世界各國也都在嘗試研發太陽帆比如今年年初我國的天帆一號就成功實現了展開但距離真正的使用還有著非常遙遠的距離。另外美國行星協會的光帆2號在去年6月份發射升空目前也在進行著相關實驗。

太陽帆的難點在於如何製造如此巨大的帆以及如何透過有效的摺疊和展開手段實現它的執行。它目前還無法載人因為強大的加速度會讓人體崩潰。另外加速到接近光速後太陽帆如何減速也是一個問題。與此同時我們還必須要有更加先進的材料讓它變得更薄才能獲得更輕的質量以實現更大的速度。

目前來說石墨烯是最好的選擇。不過人類何時能夠廣泛、批次地生產石墨烯並加以靈活應用仍然是個未知數。

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圖片說明太陽帆概念圖

總結

人類的夢想是星辰和大海。我們希望能夠衝出太陽系看一看外面的宇宙。對於現在的人類來說前往火星這麼近的距離尚且要半年之久。但我相信隨著人類科技的不斷突破我們真的可以到比鄰星去看一看。

目前來看核聚變動力和太陽帆看起來還是比較有可能最先實現的。至於未來是否會有更加創新的技術出現那就不得而知了。如果人類真的可以衝出太陽系你最希望先去拜訪的是哪顆天體呢

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