想在有生之年近距離觀測太陽系鄰居,光帆技術最適合哪種外型與材料?

作者 | 發布日期 2022 年 02 月 24 日 9:21 | 分類 天文 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


為前往距離太陽系最近的恆星系統,科學家提出了先進光帆技術,這種太空船能將抵達太陽鄰居社區的飛行時間從 8 萬年縮減至 20 年。而最近科學家提出新設計方法,能確保光帆在長達 20 年的星際航行中不會因強烈雷射脈衝而撕裂。

南門二(Alpha Centauri)系統是宇宙中最靠近太陽系的太空社區,距離 4.37 光年,包含 3 個恆星,其中一顆名為「比鄰星(Proxima Centauri)」,是該恆星系距離太陽最近的成員,僅 4.24 光年,且還可能孕育出類似地球的系外行星,前陣子一篇新研究甚至確認比鄰星存在第 3 個行星成員。

但加州大學洛杉磯分校團隊表示,以當今火箭技術,即使發射速度最快的探測器「航海家一號」,以目前每小時 61,500 公里速度抵達南門二系統也需 7 萬多年,人類不僅無法在有生之年近距離觀察太陽系鄰居,就連探測器可否在宇宙安全航行數萬年都是個問題。

於是已故物理學家霍金領著科技富豪發起了突破倡議(Breakthrough Initiatives)計畫,推出突破攝星(Breakthrough Starshot)子項目以研發名為「星片」(StarChip)的光帆飛行器。顧名思義,這種探測器在不使用化學燃料的前提下,僅需利用光子就可推動巨大的「帆」前進,隨著時間推移,數以億計的光子撞上帆片,可讓探測器最終速度達到光速五分之一,20 年就可抵達南門二系統。

日本 JAXA 此前已發射 Ikaros 探測器順利展開太陽帆飛行實驗,只不過星片飛行器需要更多強光子,才能達到我們希望的極限速度。

適合光帆的材料與形狀

而為了避免光帆在飛行途中因極限速度解體,研究人員思考了最適合的光帆形狀。由賓大(UPenn)機械工程與應用力學系 Igor Bargatin 領導的團隊,在新研究中介紹了打造星際光帆的最佳形狀,認為光帆應該像降落傘一樣具有曲線,而非一片平坦,否則高速飛行下承受的壓力會撕裂帆片。

另一篇由加州大學洛杉磯分校團隊提交的論文則探討什麼材料適合建造光帆、以及如何處理從地球發射時強大雷射脈衝產生的熱量。研究人員表示,光帆應由超薄的氧化鋁與銀黑色過渡金屬二硫化鉬(MoS₂)化合物製成。

此外,只要光帆吸收到一點熱能,都會在飛行過程被加熱至相當高的溫度,因此需想辦法提高光帆輻射熱量的能力。研究人員認為,可以將帆織物以小面積方形網格圖案綑綁在一起,最大化提高散熱能力。

▲ 科學家提出新的帆片結構以增強散熱能力。

雖然光帆技術實際上並無法運載人類,只能攜帶一個小小探測器,但至少有機會讓科學家近距離觀察另一個行星系統。新論文發表在《Nano Letters》期刊。

(圖片來源:加州大學洛杉磯分校

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