尤里·米尔纳今天宣布的耗资 1 亿美元的“突破摄星”项目，计划使用巨型激光器将微型航天器发射到半人马座阿尔法星。虽然使用激光炮作为航天器推进系统可能听起来像科幻小说，但此前的研究表明，“激光帆”可能是让探测器在人类一生内到达另一颗恒星的唯一已知方法之一。
尽管半人马座阿尔法星是我们最近的星系，但它仍有大约 4.37 光年之遥。这相当于超过 25.6 万亿英里，或从地球到太阳的距离的 276,000 倍以上。
正如科幻小说作家兼 NASA 物理学家杰弗里·兰迪斯曾经解释的那样，传统的火箭的效率远远不足以在人类一生内穿越到半人马座阿尔法星的巨大距离。例如，以航天飞机约 17,600 英里/小时的最高速度，需要大约 165,000 年才能到达半人马座阿尔法星。
目前航天器使用的所有推进器存在的问题是，它们携带用于产生推力的推进剂是有质量的。长途旅行需要大量的推进剂，这会增加它们的重量，从而需要更多的推进剂，使它们更重，如此循环， spacecraft 越大，这个问题就越呈指数级恶化。
几十年来，科学家们一直在讨论解决星际旅行的许多潜在方案，但每种方案都有其自身的缺点。
反物质发动机利用反物质和物质湮灭时释放出的巨大能量，而前费米实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室的两名物理学家正在计划通过 Kickstarter 来建造一个反物质驱动器原型。然而，目前所有制造反物质的方法只能产生微乎其微的量——生产一克反物质可能需要花费 1000 亿美元或更多。即使人类能够产生足够用于星际旅行的反物质，目前尚不清楚是否能够安全地储存和操纵它——到目前为止，科学家们最多只能将反氢控制大约 16 分钟。
聚变火箭将使用核聚变反应堆将超高温的推进剂从火箭后部喷出。然而，科学家们可能需要几十年才能建造一个比输入能量输出能量更多的聚变反应堆，然后研究人员仍然需要弄清楚如何制造一个足够小的聚变反应堆来安装在火箭上。
在科幻小说中，拉姆吸气机（也称为布萨德冲压发动机）通过使用电磁场从周围环境中吸入燃料，而不是携带燃料，来穿越星际空间。然而，兰迪斯指出，星际空间中的氢燃料密度不如冲压发动机的设计者想象的那么高。此外，进一步的研究表明，拉姆吸气机的副作用比推力产生的阻力更大，其作用很像降落伞。此外，兰迪斯说，还不确定如何将星际空间中发现的普通氢用作聚变燃料——相反，人工聚变的提议通常涉及重氢同位素，例如氘。
核脉冲推进将把小型核弹扔到一艘由巨大挡板保护的飞船后面。爆炸会撞击挡板，飞船将乘着这些爆炸在太空中前进。著名的物理学家弗里曼·戴森计算出，这种发动机大约需要一个世纪才能到达半人马座阿尔法星，卡尔·萨根建议这将是当前核武器库存的绝佳用途。然而，严格限制核武器的条约使得这些难以建造。
世代飞船接受飞往半人马座阿尔法星可能需要数千年的事实，因此它们是能够容纳数代宇航员的巨型航天器，但人们是否能够承受持续如此长时间的太空飞行的身体和心理挑战，还有很多未知之处。
在人类寿命尺度上实现星际旅行的最现实的场景可能是“突破摄星”项目现在提出的激光帆。这种策略包括为航天器配备镜子，并依靠强大的激光将这些探测器推向太空。尽管光产生的压力不大，但之前的项目已经成功测试了许多太阳帆——由太阳光驱动的航天器。
加州大学圣巴巴拉分校的实验宇宙学家菲利普·卢宾（Philip Lubin）和他的同事们此前曾计算过，一个绕地球运行的 10 公里宽的激光阵列，以 50 至 70 吉瓦的功率发射，可以在大约 10 分钟的激光照射下，将一个重 1 克、帆宽 1 米的芯片状航天器推到光速的 25% 以上，这意味着该飞行器可以在 30 分钟内到达火星，并在大约 20 年内到达半人马座阿尔法星。每个“太空芯片”都将是一个完整的微型航天器，装有相机、电力、导航、通信和其他系统，而这个巨大的轨道阵列每年可以发射大约 40,000 枚这样的探测器。
“突破摄星”项目提议建造一个地面高空激光阵列，而不是轨道激光平台。这个“相控阵”将由相对普通的激光组成，它们可以同步工作，形成一个强大的单一激光，并依赖于称为自适应光学的变形镜来补偿大气对激光束的扭曲效应。“突破摄星”项目接下来将把载有数千个太空芯片的母船送入轨道，然后其激光阵列将把这些探测器送往无人去过的地方。
这种策略确实有一个明显的缺点——航天器目前无法在到达目标后减速。不过，作为“突破摄星”项目成员的卢宾建议，这些探测器至少可以飞掠半人马座阿尔法星，并将关于我们最近邻居的信息传回。
未来的研究可以开发出更奇特的帆的形式。例如，兰迪斯提出了磁帆——虽然激光帆依赖于在太空中扩散的激光束，因此在远距离上无法有效推动激光帆，但磁帆将由粒子束驱动，而粒子束理论上可以在一段时间内以相对恒定的力推动航天器。
另一种可能的太空帆形式可能是西雅图的物理学家和航空航天工程师乔丁·凯尔（Jordin Kare）提出的“SailBeam”。基本上，激光阵列会向一艘航天器发射大量微型激光帆，这些弹丸的撞击将推动航天器前进——这是一种介于激光帆和核脉冲推进之间的混合体。
总而言之，“突破摄星”项目可能开启一个新的帆船时代。卢宾说：“超越我们母星的旅程对我们所有人来说都将是一次深刻的旅程。”
