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永乐国际旗舰厅app:激光技术可以把人送到宇宙中

2020-03-22 15:23永乐国际旗舰厅app 人已围观

简介每次当有强劲的新技术产生时,我们执行困难任务的传统方式都值得被深思熟虑。在太空旅行和探索地球之外的宇宙时,任何在能源生产、储存或传输方面的新进展都非常值得认真对待...

  每次当有强劲的新技术产生时,我们执行困难任务的传统方式都值得被深思熟虑。在太空旅行和探索地球之外的宇宙时,任何在能源生产、储存或传输方面的新进展都非常值得认真对待。但是宇宙是非常大的,而且从地球到其他行星的距离简直是天文数字,更不用说其他恒星。到2016年,我们还使用在二十世纪五六十年代太空飞行刚开始时同样的技术,使用化学火箭燃料发射和操纵我们的航天器。但是,一个由菲利普·卢宾领导的科学家和工程师团队已经宣布,他们相信可以使用激光推动,不仅可以把去火星的路程缩短为三天,而且用比任何航天器都快的速度瞄准恒星。

  像这样的希望可能会周期性地出现,因为像是核动力火箭、反物质引擎甚至是所谓的不可能的引擎等概念希望取代如今把大质量物体加速到高速的最好的技术。这些希望的问题在于,在每一种情况下都是不可行的:

  到目前为止,核聚变还不是一个可控且可持续的反应,因此在长时间内不可以产生大量的能量。

  反物质不仅生产成本高,而且它只能少量生产。如果你把地球上人们生产的所有反物质都加起来,它的重量不到一微克,如果你通过爱因斯坦的公式:E=mc2把它换算成纯能量,大约等于一小盒炸药释放的能量。即使在最宽松的实验条件下,像无燃料引擎这样的假设引擎设计不会给出可再生的、稳健的结果,也不会提供大量的推动力。但是有一个希望是不同的,因为激光推进的核心技术如今确实存在。

  考虑到小行星偏转,激光功率的发展在过去的15年里取得了巨大的进步。包括美国国防部高级研究计划局(DARPA)在内的多个机构的许多科学家的项目,已经以一种新颖的方式成功地增强了激光功率:不是通过增加每一个激光器的功率,而是通过使激光阵列可任意伸缩。换句话说,你现在可以建立一个大型激光阵,它可以同步精确地发射到一个合适的目标上,不仅可以传输与单个激光相关的千瓦功率,还可以传输任意大的功率,而这些功率只受激光阵列的大小限制。这是一个用19个元素的激光阵列攻击玄武岩目标的“简单”的测试。

  在环绕地球的轨道上建立一组同步激光,这样它们就可以精确地对准选定的目标。理想情况下,这个阵列将达到10亿瓦的功率水平。

  创建一个“目标”宇宙飞船,它最初从低地球轨道出发,上面有一个巨大的帆状表面,能够被激光阵列瞄准。用大量激光击中目标飞船,用适当的轨道把它加速到你能达到的速度,然后看着它走远!有很多好的理由令人兴奋!激光技术已经存在,而且随着时间的推移,事实上,它正在变得更完善。这很容易从小处开始:因为数组是可伸缩的,所以可以使用小的投资将非常小的(亚克)质量加速到高的启动速度,作为概念验证。帆可以非常小——只有大约一平方米——但仍然是非常有效的。激光帆的反射率或坚固性与太阳帆不同,因为激光的频率很窄,所以反射99.99%或更多的光相对容易,只有很少的吸收。仿真表明,即使是一个适度的激光阵列(下图中为272千瓦),也可以通过适当的航行将1克的测试质量加速到星际空间。

  然而也有一些令人难以置信的理由,科学家并不是不可能,但这是一项艰巨的工程任务。以下是一些我们不知道如何克服的重要阻碍:

  如何成功校准如此长距离的激光。例如,阿波罗号宇航员安装在月球上的镜子有效地反射并返回1017光子中的1个到预定的目的地。

  一个加速的物体如何变得有用?现在,任何质量加速到的可感知苏都都很小以至于不能传递任何有用的且不论多大能量都能被探测到的信息。像计划中的1克宇宙飞船探测器这样的低质量、薄的物体,能经得起激光的威力吗?或者,即使它们的反射率很高(但并不完美),它们也会变得毫无用处吗?一个像这样加速的物体一旦到达目的地,就无法被控制或减速。一个像帆一样的物体,尤其是极薄的物体,需要以某种方式在微小的力梯度下保持稳定,否则它就会开始旋转,无法进一步加速。最后,激光阵列的大小需要加速任何可观的大质量将是难以置信的庞大和昂贵。激光帆概念可能适合变得很小,微小的质量相当于大的速度,但一个达到所需的十亿瓦特功率范围的全面的模型,需要大约100平方公里的区域的激光阵列,或者是像华盛顿特区一样大。像这样的全尺寸阵列可以将一个直径约10厘米、质量约1克的超薄计算机芯片,在大约10分钟内推进到约0.3%的光速。(正如一些人希望的那样,把面积增加到一平方米,你就可以在那个时间里达到大约26%的光速!)它可以推动一个100公斤有效载荷(大约一半机遇号火星探测器的质量)用一个更大的帆,以相同的速度甚至10000公斤有效载荷——也许足以把人类送去太阳系以外的旅途——达到每秒1000公里的速度,大约是阿波罗号宇航员登月速度的100倍。

  这一计划被称为深入研究,定位能量用来加速探测器到星际速度,你可以在这里读到菲利普·卢宾的白皮书。这当然是一个令人兴奋的想法,也是一个值得研究的可能性。但还不要为最近的恒星打包行李,因为实现和扩展这种类型的系统的困难, 特别是激光的功率、准直度以及在激光帆上反射时的实用性,如果它们真的可行的话可能要等上几十年甚至几百年。

  毫无疑问,这是值得投资和尝试的。激光推进可能是未来的太空飞行,以及最终把我们带到星球的技术。但这并不是航天飞行的现状,需要克服的障碍是非常巨大的。我们绝对应该试着走这条路,但绝不是灌篮。宇宙向我们招手,我们可能会看到一场关于我们如何到达那里的改革,这对我们充满了诱惑力。但是,现实地看待我们今天所拥有的技术,以及我们为实现目标所面临的挑战,也是非常重要的。激光推进可能是人类最好的选择,因为我们今天知道的技术已经存在,但把我们送到星星上还有很长的路要走。

Tags: 激光 

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