NASA 工程師設計出無需燃料、還可加速至接近光速的太空引擎

作者 | 發布日期 2019 年 10 月 17 日 10:15 | 分類 天文 , 尖端科技 , 航太科技 follow us in feedly


人類夢想著有一天可以出走太陽系,然而現實障礙擺在眼前:我們根本沒有速度足夠快的推進器能讓我們在有生之年離開太陽系。最近,NASA 馬歇爾太空飛行中心(MSFC)工程師 David Burns 提出一種完全無需燃料的神奇引擎,可以將速度增至接近光速,雖然這種引擎可能已經違反牛頓運動定律。

從本質上來講,所有火箭都基於牛頓的第三運動定律:力必會成雙結對的出現,當有一道力施加在火箭上,就會有相等的另一道反作用力,所以傳統化學火箭/推進器靠燃燒燃料來產生推進力並向前移動。

問題在於燃料是個龐大成本,根據 NASA 分析,目前火箭光是要將有效載荷投入低地軌道,成本就高達每磅 1 萬美元,可想而知要將有效載荷送上月球、更遠的火星甚至太空旅行,所需燃料量更為驚人,更別提航行時間了,著實是一道巨大工程挑戰。

光是目前跑最遠的 NASA 航海家1號(Voyager 1),都還需要數萬年時間才能飛抵離我們最近的恆星系統南門二(Alpha Centauri);其次,太空旅行造價高昂,光是業界火箭發射成本已算很便宜的 SpaceX 公司,其獵鷹 9 號火箭發射成本也要 6,200 萬美元、獵鷹重型火箭發射成本則約 9,000 萬美元,而這些錢連月球都還飛不到。

所以我們先想辦法壓低成本再來談離開太陽系,科學家為此努力研發能取代化學火箭的新型推進器,比如雷射脈衝火箭發動機、離子發動機等,最終目標是將成本壓至每磅僅需數百美元。

其中,離子推進器是已實用化火箭技術中最經濟的一種,只需要少量推進劑就能達到很高的最終速度,比如歐洲太空總署(ESA)與日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)合作開發的貝皮可倫坡號,就安裝了離子推進器前往水星。

而最近 David Burns 提出了新思想實驗,設想一種完全無需燃料還能產生高速推進力的太空引擎,有點類似曾轟動一時的 Emdrive 科幻引擎——號稱 41 天送人類上火星,燃料量與有效載荷的比例基本上為 1:1,只要靠電力就能獲得推進力,唯一的缺點是,Emdrive 引擎違反了牛頓第三定律。

David Burns 根據外觀將新引擎命名為螺旋發動機,思想中心是在火箭內來回移動質量,就像一顆來回彈動的球。但如果以正常質量的球操作,則當球撞擊火箭前部時,火箭會向前移動一點;當球撞擊後部時,火箭又向後移動一點,換句話說,就算球來回彈跳,火箭也只會向前和向後擺動。

因此 David Burns 提出使用螺旋狀粒子加速器中的粒子來充當「質量會發生變化的球」。當粒子在加速器中來回移動撞擊,只要有足夠時間就能達到非比尋常的速度,如果在火箭前端使粒子加速至接近光速,火箭後端的粒子速度較慢,那麼根據相對論,以光速運動的粒子其質量會比速度較慢的粒子質量還大,這會導致火箭前端比後端重,反過來說,這將使火箭的向前推力比向後推力大,火箭得以向前加速。

只不過,這項設計會衍生出長 200 公尺、直徑 12 公尺的巨無霸引擎,而且要產生 1 牛頓推力(大概與你敲鍵盤的力道差不多大)就需要 165MW 功率;再者,只有在零摩擦環境中才能達到接近光速的速度。

如果真有這麼神奇的質量變化球,這個想法就說得過去,但相對論仍然服從牛頓第三定律,因此這個想法在現實世界行不通。曾參與 Emdrive 科幻引擎測試的德國德勒斯登工業大學科學家 Martin Tajmar 表示,這款新型引擎可能會遇到和 Emdrive 引擎一樣的問題,「所有慣性推進系統都不能在無摩擦環境中運作」。

David Burns 這項有趣的思想實驗未經過同行評審,驗證起來似乎會出現缺陷,但科學家總要不斷提出新的想法,才可能打破現狀。

(首圖僅為示意圖,來源:pixabay

延伸閱讀: