“科学小子”谈论他的太阳帆

缓慢但稳定、依靠太阳能的航天器可能会改变太空旅行

1976 年,著名天体物理学家卡尔·萨根 (Carl Sagan) 带着一个奇特、反光的道具参加了《约翰尼·卡森今夜秀》。这个玩具是太阳帆的模拟模型——这是一种革命性的太空旅行推进概念,无需燃料。“[它] 依靠来自太阳的辐射和粒子——来自太阳的风——来旅行,”萨根向卡森解释道,并将这项技术比作普通帆船在海洋中航行。

快进到今天,萨根关于无燃料、太阳能太空推进的设想正在变为现实。行星学会 (The Planetary Society),由“科学小子”比尔·奈 (Bill Nye) 领导,正在向世界展示他们自己的太阳帆概念版本——LightSail,它将搭乘一枚 Atlas V 火箭从卡纳维拉尔角发射升空。(此次发射还搭载了空军高度机密的 X-37B 航天飞机。)这家私营太空组织已经为一颗 CubeSat——一种用于空间研究的微型卫星——配备了四张闪闪发光的聚酯薄膜大薄片,它们从卫星主体展开。理论上,当它在太空中时,太阳喷射出的加速粒子将推动聚酯薄膜帆,从而驱动这个微型航天器前进。

然而,对于这次发射,行星学会将不会进行任何航行;他们只想看看是否能让聚酯薄膜在太空真空中展开。在上升过程中,太阳帆会折叠起来,收纳在 CubeSat 内部。在卫星到达近地轨道大约四周后,聚酯薄膜应该会展开成一个 344 平方英尺、厚度仅为 4.5 微米的帆。嵌入 CubeSat 面板的摄像头将对这一展开过程进行清晰拍摄。

行星学会

行星学会将利用从此次即将进行的任务中学到的知识,为 2016 年 LightSail 的第二次发射做准备。届时,LightSail 技术将进行一次高空航行,距离地球表面约 450 英里。在那里,它将摆脱地球大气层的大部分影响,使帆能够获得平稳的太阳粒子微风。

LightSail 项目的全部资金主要来自私人捐助,最近通过众筹获得了一笔可观的资金,此前行星学会启动了一项 Kickstarter 众筹活动,旨在筹集 20 万美元(目前已远远超过 50 万美元)。奈表示,LightSail 的研发总成本将达到 545 万美元,而众筹的资金将用于支付该组织仍需筹集的 120 万美元。

尽管 LightSail 目前需要大量资金,但奈表示,像这样的太阳帆将大大降低太空旅行的长期成本。由于 LightSail 不需要任何推进剂,因此围绕有限燃料供应的成本和技术问题将不复存在。

以下文字经过编辑和精简。

行星学会

《大众科学》:为什么要放弃推进系统中的推进剂?

比尔·奈: 你只能携带有限的燃料,处理火箭燃料需要花费很多钱。如果你想飞得更远,更深入太空——以新视野号(New Horizons)飞往冥王星的任务为例,它花了九年时间才到达。使用常规燃料,你必须携带十年的燃料,这非常昂贵。你可以做到,但会增加成本。所以我们坚信,LightSail 对某些任务来说是理想的选择。

你设想 LightSail 用于哪些类型的任务?

寻找太阳上的日冕物质抛射、太阳风暴和太阳天气。轨道保持(即维持空间站位置所需的各种推力)。以及大学和空军等机构希望进行的、非常低成本的任务,依靠太阳能为航天器提供动力,飞往月球或小行星。

这种太阳帆能否载人?

不能,我看不出它能载人,但有些人比我更有想象力,也许能让它实现。不过,你会在太空中度过很长时间……然而,我们雇人评估了载人绕火星飞行的任务。我们不仅提出了架构——需要哪些火箭,哪些任务,每种多少——而且我们真正、切实地评估了成本。因此,只要将 NASA 的预算保持在通胀调整后的水平,我们就能在 2033 年实现载人绕火星飞行。对于载人绕火星任务,有一个 100 千瓦的太阳能电力推进系统将货物运送到火星轨道是可行的。

路透社/吉恩·布莱文斯

有了 LightSail,太空旅行会有何不同?到达目的地需要多长时间?

前往月球需要一个月,而不是几天。所以,如果你是一名大学生,或者在去月球的路上还有其他事情要做,你可以去做。但是化学火箭的麻烦或缺点是,一旦你完成了燃烧,就结束了。然后你只能滑行到目的地。但是有了这个太阳帆,你可以日夜不停地获得推力。等等,你在太空中,根本没有黑夜!所以你获得的是持续不断的、微小的、无限的推力。

通过众筹,私营公司正在寻找新的方式来资助创新的太空旅行项目。你如何看待私营和公共太空旅行在未来的发展?

我一直说,就近地轨道甚至月球任务而言,太阳帆确实降低了成本。但是,如果你想载人去火星,而我们都希望如此,在那之前,我们需要从火星带回样本的任务,而且我们不希望 NASA 忽视样本返回。这是 NASA 能够做到而其他人无法做到的事情。

麦哲伦、哥伦布、刘易斯和克拉克——这些人都是政府资助的;这就是政府的作用:去没有人去过的地方。然后东印度公司、哈德逊湾公司、跨大陆铁路,它们都在后来出现。所以我们只是想利用太阳帆去一些没有人去过的地方,但也利用太阳帆去一些我们已经去过但从未以如此低的成本去过的地方。

行星学会
 

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洛伦·格鲁什(Loren Grush)是《Popular Science》的助理编辑和科学作家,居住在纽约市。她曾为《纽约时报》、《Nautilus Magazine》、Digital Trends、Fox News 和 ABC News 撰稿。格鲁什是两位 NASA 工程师的女儿,在航天飞机和火箭科学家中长大。她很高兴能圆满完成报道科学发现和技术突破的使命。

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