設想如何在恆星之間，用相對較短的時間進行星際旅行？

飛向恆星

迄今為止，地球仍是我們所知宇宙間唯一有智能生物存在的星球。但是，自地球上出現人類以來，世界人口已經超過70億。

人類人口的迅速增長，促使人類向地球索取更大的資源。但是，地球的資源並不是取之不盡，用之不竭的。為了保護地球的生態環境，幾代科學家都在設想開發其他星球，並去那裡旅行甚至向那裡移民。但是，這些設想可行嗎?這樣的設想在將來的某一天會成為現實嗎?物理法則怎樣才能准許我們橫跨恆星之間巨大的距離呢?

如何用一些些新奇的有關推進器的概念，利用它們可以在恆星之間用相對較短的時間進行星際旅行。現在，就讓我們簡單地考慮一下為什麼我們可能到其他恆星旅行?

物理學上的問題

最近的幾年中，天文學家在我們的銀河系中發現了200餘顆圍繞恆星運行的行星。在那些地方是不是有智能生物存在呢?然而，要證明圍繞其他恆星旋轉的．行星上是否有生命存在談何容易，更不用說了解它們的生物學和演化史的詳細內容，除非我們能夠拜訪那些行星，直接觀察它們。的確，人類的整個行星探索歷史告訴我們，我們需要宇宙飛船來研究行星，這對於其他行星體系也同樣適用。

但是，我們能利用可預知的技術飛向遙遠的恆星嗎?

或許能。現在我們來闡述利用核聚變能量和物質與反物質相互湮滅時發生的質能轉換來推動的火箭推進器到達恆星的可行性。

星際飛船

到目前為止，世界上已經有四艘人造宇宙飛船在駛向恆星的途中，它們是：「先鋒1」號、「先鋒2」號、「旅行者1」號

和「旅行者2」號。

然而，除了太陽外，距我們最近的恆星半人馬座a星，距我們4.2光年，以這些飛行器現在的速度(大約每秒10千米)，它們到達該恆星至少得花120000年時間。

如果我們想要在幾十年的時間裡到達離我們最近的恆星，就要以至少10％或20％的光速行進，這需要一種比「先鋒」號和「旅行者」號的化學燃料推進器力量大得多的推進系統。

核燃料火箭

目前，最新星際飛船的設計研究就採用了核燃料。20世紀70年代晚期英國星際學會進行「代達羅斯」計劃就是利用這種技術來設計一艘自動飛船，能夠將無人駕駛的450噸的科學載荷加速到光速的12％。若以這種速度行進的話，到達半人馬座a星只需花36年時間。

「代達羅斯」計劃概念圖

在該項設計中，推進器是以氫的兩種同位素之間的聚變反應為基礎的。將含有氘和氚的球丸灌入火箭發動機，並將它們加熱、壓縮到出現聚變反應所需的高溫和密度。這時產生的離子氣體雲由磁場導向，用來產生推力。這一設計分為兩級，每一級將燃燒2年，之後450噸的載重將以12％的光速自由飛行。

然而，為了獲得上述速度。需要50000噸的氫同位素。要全部裝上這些燃料，我們的飛行器至少得200米長才行。

「代達羅斯」計劃想像中的飛行器將在太空中建造。如此做法有兩個原因：第一，該飛行器過於龐大，在地球的引力範圍內難以發射；第二，氮3是一種稀有的同位素，它必須從木星富含氦3的大氣層中獲得。

另一個與核能火箭相關的主要問題是：它們能否在其目的地停下來。如果利用50000噸的燃料將速度增加到12％的光速，那麼就需要同樣大的能量才能使它停下來。這就是說，要使450噸的科學載荷完成這樣的任務，必須得有100000噸的有效載荷才能達到。似乎，這是一條完全不切合實際的道路。

因此，「代達羅斯」計劃將只會是一次不能減速的在目標恆星系統邊緣飛行的計劃，而且就這樣的相遇也只有幾個小時。為了擴大在這一時間內所要收集的信息數量，「代達羅斯」計劃將配置許多附屬探測器，儘可能多地接近各個行星。然而，儘管這種相遇能進行饒有趣味的觀測，但還是不能對星球進行詳細、全面的觀測。要進行這樣一種觀測，就必須在其他恆星的行星上著陸，這就需要比核聚變更強大的能源。

反物質火箭

核聚變能將少量的聚變核的質量轉變成能量。然而，原則上，需要一個能將質量100％地轉化為能的物理過程，這就是通常所說的物質與反物質的相互湮滅原理。所有亞原子粒子都有其對應的粒子，當它們相撞時，就會轉化成能量。現在，大多數反物質火箭發動機的設計假設，少量反物質將會與更多的正常物質混合，它能通過火箭噴嘴釋放和膨脹的能量產生推進力。

需用多少燃料

現在，我們來考慮一下這個過程需要多少反物質。我們把飛船所需的動能與反物質湮滅時釋放出來的能量等同起來，假設飛船的速度與光速不是很近，根據相對論，理論上我們就能估計出推動每1000千克的重量所需反物質的質量應該是2.5千克。然而事實並不這麼簡單，還要考慮到飛船完成任務必須攜帶的各項工具，反物質發動機的工作效率及發動機本身的質量。

我們必須承認這個事實，截至目前還沒有人知道反物質發動機到底會有多大!因此，要想獲得10％的光速，所需的反物質有可能是理論值的幾倍甚至幾十倍。

獲得燃料

然而，反物質燃料的獲得有兩大問題。首先反物質很難儲存，儘管從理論上講，磁場中可能包含有它，但如何避免它在火箭發動機中需要之前與普通物質接觸是個棘手的問題。其次，任何反物質在自然界中一旦出現就會馬上和物質對滅。因此如果我們要利用反物質，首先就要製造它。

一般說來，反物質可以在核物理實驗室中產生出來，但這只是少量。反物質的生產效率極低——生產所需的能量要比我們從反物質的最終湮滅中獲得的能量大1000萬倍。這就需要我們建立一個專用的反物質工廠。

然而。假定我們需要製造10千克的反物質，那麼所要消耗掉的能量是多少呢?

展望未來

儘管生產反物質既耗資巨大又技術難度大，但是，反物質作為一種火箭燃料的長處，就在於它的能源密度，而且只需要相對低的燃料重量。這是一個特別需要考慮的問題，要知道，「代達羅斯」計劃就是因為燃料重量過於龐大而無法實現著陸的。然而，從理論上講，有了反物質就有了把幾噸重的科學儀器加速到10％的光速，從而行進到目標恆星系統並將這些儀器釋放下來的可能性。其需要的總燃料重量不到1000噸，其中2噸是反物質。

很顯然，從科學探索的觀點來考慮，這樣的做法是很有利的。現在，把反物質作為燃料的巨大技術難點催生的許多替代推進器已經有了長足的發展，讓我們期待其中的一些推進器在不久的將來得以應用。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！