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星际旅行 亦真亦幻

发布日期:2003年09月08日字体: 【大】【中】【小】

    天文学家们相信,人类终能在地球邻近的星系中找到一个新的“地球”。如果有一天,这个目标实现了,人类又怎么能在有限的生命里,飞到距地球光年距离以外的目的地呢?美国《发现》杂志最近撰文介绍了科学家在星际旅行方面的最新研究进展。
  在过去的数十年中,天文学家在太阳系外的其它星系中发现了各种不同的新大陆,然而,或许是由于观测工具还不够有效,人们至今还没有发现一个与地球类似的行星。
  这样的窘况可能会有所改变,因为美国宇航局计划10年后发射一个天文望远镜,名为“地球行星探测器”(TPF),目的是在太阳系外为人类寻找一个新大陆。预测认为,观察大约150个邻近星系就可能会找到一个类似地球的小型行星——新的“地球”。
  接下来的问题是如何到达新“地球”,因为其难度的确要比到火星大得多。人们在黑夜中能看到的最亮的,也是离地球最近的半人马座阿尔法恒星,其中可能存在类似地球的行星,但它离地球有4.4光年之遥,比目前任何太空探测器所飞行的最长距离还要多3000倍。巨蟹55恒星中有3颗行星,它们组成了一个与太阳系类似的系统,但离地球却达到了41光年之远,比前者的距离还要多10倍。因此,要飞到一个能让人类居住的新“地球”,需要超快的航天器,它要比今天所有的航天器都要先进得多。可是,制造这样的航天器又谈何容易!
  但美国宇航局喷气推进实验室的罗伯特·弗里斯比认为,这样的航天器从理论上说是可以制造的。弗里斯比的工作以及他一生的梦想,就是在孜孜不倦地寻求实现星际旅行的方法。目前,他正在研究5种可能使宇航员飞到半人马座阿尔法恒星,而只需要花费不到50年时间的推进技术。“我们正在谈论的不是幻想,”他对《发现》杂志说。

  原子火箭

  1903年,俄罗斯物理学家齐奥尔科夫斯基发现,星际旅行最大的障碍是火箭的最大速率一般只有其发动机的喷气速率的两倍左右,发动机的喷气速率只能达到4.4公里/秒,因此单级火箭能达到的最大速率不到9公里/秒。以此速率,到达半人马座阿尔法恒星将需要12万年。如果让一个宇航员花40年抵达目的地,火箭速率需要提高3000倍。如何才能达到这么快的速率呢?弗里斯比建议,使用核裂变、核聚变和反物质作为推进剂。
  核裂变火箭。科学家已经与核裂变打了60多年交道,并制造出了原子弹和核反应堆。当原子裂变时,所产生的“分裂碎片”速率达到光速的3%,即约每秒9千公里。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的乔治·哈普林等人设计了一种概念型的“分裂碎片”反应堆,可以控制这些高速粒子。该反应堆类似于围绕一圆柱形塔旋转的一叠“唱片”,每张“唱片”主要由石墨构成,石墨上覆盖着钚或镅等放射性燃料。当这些燃料旋转进入圆柱形塔时,与塔中的放射性物质产生可控链式裂变反应。而施加于反应堆上的强大磁场将“分裂碎片”束缚在一起向一个方向喷射,使火箭的速率能提高到约每秒1.8万公里,也就是光速的6%。
  核聚变火箭。与核裂变相反,核聚变是把原子结合在一起,从而获得能量。聚变反应堆能减少不必要的一些辐射,燃料氘和氚也容易获得,因为氘和氚在月球的表面和木星的大气中大量存在。在到另一个恒星的星际旅行之前,核聚变火箭完全可在太阳系内找一个地方补充燃料。然而,科学家们至今仍没有建造出一个可工作的核聚变反应堆。人们已经知道如何利用核聚变反应制造氢弹,但却没有掌握该反应产生的能量控制技术。在飞行速率上,核聚变火箭与核裂变火箭差不多,没有进一步挖掘的潜力。到最近的恒星,它也需要大约200吨燃料,但所需的辐射防护材料就比核裂变火箭少多了。
  反物质火箭。爱因斯坦著名的能量方程E=mc2表明,质量是能量的一种集中形式。裂变和聚变反应只将质量的1%转变为能量。然而,有一种方法可以以近100%的效率将物质转化为能量,也就是把物质与其镜像反物质相结合。物理学家已经制造了少量的反物质,比如欧洲核子研究中心最近就制造出了1百万个反氢原子。对星系旅行火箭来说,反物质将是重要的燃料,然而,想要获得星际旅行火箭所需要的大量反物质也是极其困难的事。

  原子火箭外的新技术

  包括使用反物质作为燃料在内的多种火箭技术弱点很明显,那就是燃料多,火箭动力大量耗费在运载燃料本身上。这样的方式在发射人造卫星和登月尚可采用,而在星际旅行中则不可行。专家说,星际旅行需要更轻、更灵活和更快捷(接近光速)的推进系统。目前,这样的概念型系统有两种。
  一种是激光帆船。它最早由美国物理学家罗伯特·福沃德提出,弗里斯比说,这是人类星际旅行最可行的技术。这一技术的理论是,正如帆船依靠风力漂洋过海,大功率激光束也能推动有着巨大“帆”的航天器在太空中遨游。
  弗里斯比计算说,激光帆船能在10年内使其飞行速率达到光速的一半。而如果采用直径为200英里的激光帆,人类则可以用12年半的时间抵达半人马座阿尔法恒星;采用600英里宽的激光帆,飞到巨蟹55恒星也只需86年。
  另一种是聚变冲压式喷气发动机航天器。理想的航天器应该同时具有激光帆和原子火箭的优点,这样,宇航员能操纵它随意飞行,同时它还不需要燃料。
  但弗里斯比同时表示这一技术远未成熟,而且,利用该技术的航天器在飞行速率不到光速的4%时,运行情况与聚变火箭相似。超过这个速率,航天器的磁漏斗才能收集足够的氢提供给反应堆。弗里斯比大略推断了一下,这种航天器飞到半人马座阿尔法恒星需要25年,飞到巨蟹55恒星需要90年。

  人的问题

  人的问题与技术问题一样麻烦。尽管人们已经知道如何让宇航员在太空站中保持健康,然而宇航员每次执行任务的时间一般只有几个月,并且有宇宙飞船从地球定期给他们送生活用品。而星际旅行常常花费数十年的时间,中间根本没有地方补充食物等生活必需品。
  地球以有限的大气、水和耕地养活了60亿人。然而,人实际上只使用了大气、水和耕地这个系统的一个很小的部分。在航天器里,就可以模拟制造出这样的系统,也就是说,用适量的水、氧气和食物供人生存。但是,这些水、氧气和食物都必须以近100%的回收率一次又一次地循环,科学家把它称为封闭的循环。如此,人在太空中生存的条件就具备了。
  但要真正实现起来,却要复杂得多,其中食物补给、氧气供应、水的循环利用、引力问题、辐射屏蔽问题、垃圾处理问题、心理学因素等都是要解决的关键问题。
  星际旅行的艰险和困难可想而知。但正如埃及人建造金字塔、哥伦布发现新大陆,这样的“奇迹”总会实现。弗里斯比说:“只要想得到,人类就能做出让人惊奇的事。” (科学时报  栾 海)


转    自:新华网

本文编辑:李迁

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