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突破这些障碍 我们就能建造星际飞船了

来源:科学大院 编辑:admin 时间:2019-08-18
导读: 如果让任何孩子想象一艘星际飞船,他们都会说出一些像《星际迷航》中的企业号或《星球大战》的千年隼号的飞船——它们能以比光速还快的速度穿越星系,甚至能在时空隧道中穿梭,在超太空中快速移动。 SpaceX计划在2021年进行第一次商业任务的“星际飞船”(图片来源:CN

  如果让任何孩子想象一艘星际飞船,他们都会说出一些像《星际迷航》中的企业号或《星球大战》的千年隼号的飞船——它们能以比光速还快的速度穿越星系,甚至能在时空隧道中穿梭,在超太空中快速移动。

SpaceX计划在2021年进行第一次商业任务的“星际飞船”(图片来源:CNMO)SpaceX计划在2021年进行第一次商业任务的“星际飞船”(图片来源:CNMO)

  现实地说,我们的第一艘星际飞船可能不是载人飞船,也可能不是电影中设想的那种巨大的流线型飞行器。事实上,它们可能不比一张邮票大。2016年,一个名为“突破摄星”的项目震惊了世界。该项目旨在开发纳米飞船,将复杂的芯片置于由地球上许多高能激光束驱动的帆上。

  脸书的创始人马克·扎克伯格曾公开支持“突破摄星”,俄罗斯投资者、前物理学家尤里·米尔纳个人承诺投资1亿美元。现在看来,纳米飞船已经不仅仅是一个想法了。但是,在全面执行这个项目之前,有几个障碍是我们必须予以考虑的。

  反物质飞船

  第五次技术浪潮(包括反物质引擎、光帆、聚变发动机和纳米飞船)都可能为星际飞船的设计开辟令人振奋的新领域。就如《星际迷航》中描述的那样,反物质发动机可能会成为现实。它们将利用宇宙中最大的能量来源,即通过物质和反物质碰撞将物质直接转化为能量。

  反物质是物质的对立面,这意味着它具有相反的带电量。反电子带正电,而反质子带负电。

  当物质和反物质发生碰撞时,它们会被湮灭形成纯粹的能量,所以碰撞反应释放能量的效率是100%。相比之下,核武器的效率只有1%,而氢弹内部的大部分能量都被浪费了。

  反物质火箭的设计相当简单。反物质被储存在安全的容器中,并被稳定地输入一个室腔。它会与室腔的普通物质混合并爆炸,发出伽马射线和X射线。然后,能量将通过室腔的排气孔排出,推力就产生了。

美国正在研究反物质太空船以正电子为燃料6周可达火星(图片来源:中国经济网)美国正在研究反物质太空船以正电子为燃料6周可达火星(图片来源:中国经济网)

  正如詹姆斯·本福德对我说的,反物质火箭是科幻小说迷最喜欢的概念,但建造反物质火箭存在严重问题。首先,反物质是自然产生的,但数量相对较少,因此我们必须制造大量反物质用于发动机。反氢原子中一个反电子围绕着一个反质子运动。第一个这样的原子在1995年诞生于瑞士日内瓦的CREN(欧洲核子研究组织)。一束普通的质子被制造出来并打向一个由普通物质组成的靶子,这样的碰撞产生了一些反质子粒子。巨大的磁场通过让质子和反质子偏转到不同方向把它们区分开来——一个向右偏转,另一个向左偏转。随后,反质子减速并被储存在磁阱中,与反电子结合形成反氢原子。2016年,CERN的物理学家使用了反氢原子,并分析了环绕反质子的反电子壳层。正如预料中的,他们在反氢原子与普通氢的能级之间发现了精确的对应关系。

  CERN的科学家宣布:“如果我们能把在CERN制造的所有反物质聚集起来,并将其与物质湮灭,就有足够的能量使一个灯泡点亮几分钟。”火箭需要更多反物质。此外,反物质是世界上最昂贵的物质形式。按照今天的物价,1克反物质的价格约为70万亿美元。目前,它只能由粒子加速器(数量非常少)制造出来,而粒子加速器的制造和运行成本极高。欧洲核子研究组织的大型强子对撞机(LHC)是世界上最强大的粒子加速器,其造价超过100亿美元,但它只能产生一束非常细的反物质束。如果用对撞机为星际飞船积累足够燃料,那将会使美国破产。
       

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