英國《自然》雜志日前刊登的一篇論文引起了前所未有的震動。該論文稱，天文學家發(fā)現，有類地行星圍繞離太陽系最近的恒星——比鄰星的軌道運行，且根據這顆行星所處的位置推測，該星球表面可能存在液態(tài)水，科學家們將地球的這個“堂兄弟”稱作“比鄰星b”。
盡管該恒星系統(tǒng)與我們堪稱宇宙間的近鄰，但它仍然遠在4.2光年(大約40萬億公里)之外，如此遙遠的距離，我們有可能拜訪這個新“現身”的行星嗎？
現有的航天器由化學火箭、低推力離子推進器，以及包括利用行星重力場給太空探測船加速的所謂“引力彈弓效應”在內的引力輔助軌道等共同推動。如果使用傳統(tǒng)航天器，比如現在用于探測太陽系的機器人探測器等，要花數萬年才能到達比鄰星。
如果我們想前往太陽系之外的地方，則需要速度更快的設備，比如像“代達羅斯計劃”(Project Daedalus)中提到的核聚變火箭等。在最近的報道中，美國趣味科學網站為我們列出了未來有可能幫助人類拜訪比鄰星或其他宇宙鄰居的7種方式。
電子束引爆核動力火箭
“代達羅斯計劃”是英國星際學會在1973年至1978年間倡導的研究計劃，該計劃考慮使用無人太空船對另一個恒星系統(tǒng)進行快速探測，其名稱源自希臘神話中修建米諾斯迷宮的工匠代達羅斯。
該計劃希望設計出“代達羅斯”航天器——一種重達54000噸的二級核動力火箭，能將一個400噸的機器人探測器提升到光速的12%。如此一來，探測器能在50年內，也就是在一個人的有生之年，到達距離地球6光年遠的紅矮星巴納德星(Barnard's Star)。
巴納德星在很多方面與科學家們最新發(fā)現的比鄰星類似：它距離地球非常近，正在向太陽系的方向運行，預估公元11800年時，會距地球僅3.85光年，那時它將成為除太陽以外離地球最近的恒星。
“代達羅斯”航天器的火箭將由核聚變提供燃料，使用電子束引爆燃料，例如氦-3，科學家們未來或許可以從月球表面開采氦-3。即便如此，發(fā)動機仍然需要消耗數萬噸燃料，才能在大約4年內達到其頂級速度(光速的12%)。然后發(fā)動機會關閉，“代達羅斯”航天器將在茫茫太空中航行46年，最后到達目的地。因為沒有留下任何可供減速的燃料，長達50年的漫長旅行之后，航天器將對目的地系統(tǒng)進行70小時的飛掠，然后加速進入星際空間。
英國倫敦大學伯貝克學院行星科學教授兼太空生物學專家伊恩·克羅弗德稱，“代達羅斯”航天器太大了，或許無法從地球表面起飛，因此不得不在軌道上建造，但目前我們還不具備在太空制造航天器的能力。
克羅弗德認為，盡管與“代達羅斯計劃”提出之時相比，科學家們現在對該項目背后的科學原理理解得更為透徹，但他認為，巨額的成本以及巨大的技術挑戰(zhàn)很可能意味著，要想讓類似“代達羅斯”航天器這樣的設備朝恒星進發(fā)，至少需要100年。
激光點火核聚變火箭
“代達羅斯”項目已成“昨日黃花”，取而代之的是“伊卡洛斯計劃”(Project Icarus)。該計劃目前正由英國星際協(xié)會和伊卡洛斯星際組織攜手進行，參與這一項目的工程師們希望能在2100年之前實現星際飛行。
“伊卡洛斯計劃”的使命是研制出能到達距地球22光年范圍內恒星的航天器，此處的恒星可能擁有宜居的系外行星。這意味著，如果某個行星被證實位于比鄰星周圍，將成為這一項目的目標星球。
克羅弗德表示，“伊卡洛斯計劃”會用新技術、新想法對“代達羅斯計劃”的設計方案進行升級?？茖W家們提議，讓核聚變火箭使用另一種不同的核燃料，能被激光而非電子束引爆，美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置(NIF)的科學家們在激光點火核聚變領域取得的進步，或許有助于實現這一想法。
再加上電子設備微型化、機器人技術以及納米技術等領域取得的進步，“伊卡洛斯”航天器可能比預計重達400噸的“代達羅斯”小很多，這意味著可以攜帶更少的燃料。
用激光驅動光帆行進
不過，克羅弗德表示，我們最好還是將實現星際旅行的賭注壓在根本不使用火箭上?？茖W家們現在正在考慮使用光帆(使用光產生的壓力推動負載)來推動星際太空探測器行進。例如，2010年12月8日，日本依靠太陽輻射加速的星際風箏“伊卡洛斯(IKAROS)”飛船，在長達6個月的金星之旅中成功地使用其20米寬的光帆來推動飛船前進。“伊卡洛斯”是由日本宇宙航空研究開發(fā)機構開發(fā)的試驗性太空探測器，也是世界第一個成功在星際空間運行的太陽帆，該太陽帆的名字由日本工程師森治取名自希臘神話中的人物伊卡洛斯。
盡管由太陽光驅動的光帆已成為一種高效探測太陽系的方式，但還不夠快，無法在合理的時間內跨越漫長的星際距離。
克羅弗德說，解決辦法可能是，在旅行開始，使用功能強大的激光推動光帆以極高的速度行進，直到航天器距離激光源太遠而無法從激光束那兒獲得更多推動力。
由于驅動激光器將在地球或軌道上建造，星際光帆航天器將不需要在旅程中攜帶燃料，因此航天器的質量會比較小。
激光驅動的光帆航天器也是“突破攝星(Breakthrough Starshot)”計劃的基礎，這一計劃由俄羅斯知名技術投資人尤里·米勒和英國著名物理學家斯蒂芬·霍金于今年4月份攜手宣布，旨在于2036年前制造出一款工作模型，整個項目計劃耗資100億美元。
“突破攝星”計劃的目標是開發(fā)數千個配備太陽帆的納米太空飛船“恒星芯片(StarChip)”，飛往離我們最近的恒星系，并發(fā)回照片。每個“恒星芯片”的重量僅為幾克，依附到一個約4米寬的光帆上。光帆會從一艘位于軌道的“母船”那兒延伸開來，借助地面激光器發(fā)射出來的激光，“恒星芯片”和光帆會被加速到光速的15%到20%，這將使航天器能在20年到39年間抵達距離地球4光年的比鄰星系統(tǒng)。
加州大學圣巴巴拉分校的宇宙學教授菲利普·魯賓對“突破攝星”計劃背后的概念進行了深入研究。他認為，這一計劃面臨的最大挑戰(zhàn)是制造出足夠強大的激光器來驅動光帆航天器。
巴薩德星際沖壓發(fā)動機
除使用光帆外，任何飛船都需要攜帶大量燃料，并耗費很多能量來運送這些燃料。光帆雖然解決了這個問題，但卻缺乏靈活性，難以進行隨意的加速減速和軌道調整。而使用星際沖壓發(fā)動機的飛船，可以不犧牲靈活性而解決燃料攜帶方面的問題，因為核聚變的燃料氫在星際空間中到處都是，只要在飛行途中把它們搜集起來，送進反應爐中就可以了。
巴薩德星際沖壓發(fā)動機這一概念由美國物理學家羅伯特·巴薩德于上世紀60年代提出，兼具核聚變燃料的大推力以及光帆的低燃料需求這兩方面。
巴薩德沖壓發(fā)動機自身并不攜帶任何燃料，它會使用位于太空艙前面的一個延伸數千公里的漏斗形電磁場，“舀起”星際空間內極其纖細的氣體和灰塵——所謂的星際介質。這些星際介質中的氫氣會被壓縮并被用作位于太空艙后部的核聚變火箭的燃料，驅動太空艙前進。
從理論上說，只要旅行中的星際空間內存在足夠多的星際氣體，由巴薩德沖壓發(fā)動機驅動的航天器就能持續(xù)不斷地加速前進，其行進速度可能非常接近光速。由此，這種巴薩德沖壓發(fā)動機成為很多科幻小說中的“常用道具”。例如，在美國著名科幻小說作家拉里·尼文的《已知空間》系列小說和包括《環(huán)形世界》在內的短篇小說中，都可見這種發(fā)動機的“倩影”；另外，波爾·安德森于1970年發(fā)表的小說《T-零度》對一個失控后高速飛行的星際沖壓飛船上所發(fā)生的事情進行了描寫。
但不足之處在于，太陽系和附近恒星周圍的星際介質非常少，而且科學家們已經估算出，那里沒有足夠的氫氣來給巴薩德發(fā)動機提供燃料。
不過，克羅弗德解釋稱，科學家們已經提出了幾個方案來解決這一問題，其中包括一種所謂的“沖壓增強恒星火箭”，這種火箭使用收集到的物質作為反應物驅動太空艙向前。
