三月初，美国宇航局（NASA）的“黎明号”（Dawn）探测器将进入矮行星谷神星（Ceres）的轨道。“我们将看到一个全新的世界，” “黎明号”的总工程师兼任务主管马克·雷曼（Marc Rayman）说道。发射八年后，并在访问小行星带第二大天体灶神星（Vesta）四年后，“黎明号”将成为第一个在一项任务中环绕两个外星原行星的探测器。
这一成就得益于其离子发动机，直径约一英尺。在每个发动机内部，氙原子被电子轰击形成离子。每个发动机后部的金属网格被充电至约1000伏特，并以高达每小时90,000英里的速度射出离子。推力微乎其微。（要近似发动机施加在“黎明号”上的压力，拿一张纸放在手掌上。就是那么轻！）但在零重力、无摩擦的环境中，这种推力的效果会逐渐累积。“黎明号”最快时的速度约为每小时24,000英里。而且由于离子以如此高的速度运动，发动机需要的推进剂更少，这使得它们比传统的化学燃料效率高10倍。
“离子推进正在接管这个行业，” “黎明号”发动机的开发者约翰·布罗菲（John Brophy）说道。
如果这一切看起来像是电影里的场景，那很可能是因为你已经在电影里看过了。在《星球大战》中，达斯·维达的TIE战斗机是一辆使用离子发动机在银河帝国中飞驰的战车。与达斯·维达的选择一样，“黎明号”也利用太阳能为耗能的发动机提供电子。每块27英尺的太阳能电池板，相当于一个单打球场的宽度。与必须储存在探测器上的化学燃料不同，这些电池板提供几乎取之不尽的能源。
由于其前所未有的高效资源利用，“雷曼”说，离子推进技术使得那些原本会超出NASA预算甚至“完全不可能”的、范围更广、时间更长的任务成为可能。探测器现在可以前往多个天体，因为通过连续的推力，离子推进还能让探测器更轻松、更稳定地进入各种天体的轨道，而不会耗尽所有燃料。
“它正在接管这个行业。”
“这就像越野，” NASA行星科学部门主任吉姆·格林（Jim Green）说道。“所有行星都在既定的轨道或道路上运行。有了离子发动机，你就不必沿着道路行驶。你可以直接起飞，利用捷径到达各种地点，这些地点可以达到约五天文单位，相当于木星的距离。”
离子推进甚至拓展了人类太空探索的可能性。在未来的任务中，它还可以用于将补给品来回运送到火星或其他遥远地点的宇航员手中。
然而，离子发动机仅适用于某些类型的太空任务。对于将人类运送到其他世界的任务来说，它太慢了。“黎明号”需要四天时间才能从零加速到每小时60英里。雷曼说，离子推进器是为需要耐心的任务设计的，对于前往火星或金星等目的地的常规任务来说，它们过于昂贵和复杂。
电推进系统在太空中的应用已有百年历史。美国火箭先驱罗伯特·戈达德（Robert Goddard）在1906年首次提出了电推进的概念。他大约十多年后进行了实验，但直到20世纪60年代，研究人员进行亚轨道测试时，NASA才有了工作的离子推进器。最后，“深空1号”（Deep Space 1）于1998年发射，并证明了离子推进在航天器上的有效性。尽管“深空1号”最初旨在测试12项实验技术，但得益于其离子推进器，它成功地飞越了小行星9969 Braille和Borrelly彗星，带回了当时人类所见过的最好的彗星图像和数据。“黎明号”于2007年发射，是第一项使用该技术的纯科学任务。
自1979年以来，商业卫星一直在使用离子推进器。那么，科学家们为什么花了这么长时间才将其用于航天器呢？这可能是因为直到现在，这种小众技术还没有大规模的应用目的。“我们不是为了开发技术而开发技术，”格林说。“这一切都关乎我们想做什么样的科学，以及哪些技术已经接近成熟。”
通往火星的跳板
现在，似乎全世界都准备好将离子推进应用于太空探索。NASA的“小行星重定向任务”（Asteroid Redirect Mission）将首次把近地小行星移至月球稳定的轨道。探测器将使用离子推进到达一颗待定的小行星，将其装入袋子，然后用化学推进器使其停止旋转，最后引导它返回月球轨道。格林说，如果使用常规燃料，这项任务将是无法负担的。“唯一能做到这一点的技术是高功率太阳能电推进，”布罗菲说。“我们知道它在“黎明号”的规模上是有效的，而我们需要的是一个功率更高的火星系统。“小行星重定向任务”在这两者之间起着重要的作用，是通往火星的一个良好跳板。”
