我们可能需要聚变动力火箭来阻止彗星摧毁地球

有时候你就是需要一艘每小时能以200万英里速度飞行的火箭
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一张聚变动力航天器绕火星飞行的概念图。华盛顿大学,MSNW

1994年,格伦·伍登(Glen Wurden)亲眼目睹了彗星舒梅克-列维9号(Comet Shoemaker-Levy 9)的几块巨大碎片撞击木星,引发了一场大到足以从地球上看到的爆炸。“如果它们撞上地球,我们今天就无法站在这里了,”伍登在近期于麻省理工学院的一次演讲中说道。

伍登是洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的一名聚变研究员,夜间则是一名业余天文学家。

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1994年,彗星舒梅克-列维9号的一块大碎片撞击木星时引发了明亮的爆炸。对地球而言,这样的撞击将是毁灭性的。NASA

尽管一颗巨大的、可能终结文明的太空岩石撞击地球的风险非常低,但威胁始终存在(可以问问恐龙)。而且,据伍登说,可能只有一种方法可以阻止它:聚变火箭。这种技术还需要几十年的时间才能实现,但伍登认为我们迫切需要投资使其成为现实。

“这个想法‘在外面’,但它也非常合乎逻辑,”他说。“当你面临一个大问题时,你需要一个大答案。”

彗星的麻烦

科学家们已经想出了很多方法来阻止太空岩石——例如,使用牵引光束或离子脉冲来轻轻地将它们从轨道上推开。不幸的是,这些方法可能太慢,无法偏转一颗彗星。

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真正巨大的太空岩石撞击地球的情况非常非常罕见——对于公里尺度的岩石,大约每50万年一次——但这种情况确实会发生,而且我们可能要等到它离我们不到两年时才发现下一颗。NASA

彗星的到来可能毫无预警。它们的旅行速度可以达到小行星的两倍,而且它们的轨道可以将它们带到非常遥远的地方,每10万年或100万年左右才可能靠近我们的附近。许多彗星仍未被发现。而且,由于它们通常颜色较暗,天文学家只有在它们开始被太阳加热时才能发现它们——这发生在它们到达距离木星大约的距离时。

从那个距离来看,如果一颗巨大的彗星正朝着地球飞来,那么人类将只有大约6到18个月的时间来试图抵挡它。这对于牵引光束或离子脉冲改变其轨道来说,时间是绝对不够的。

即使火箭在彗星还在木星附近时击中它,它也只会比地球和月球之间的距离少一半的距离错过地球。如果我们使用速度较慢的火箭,并在更晚的时候击中彗星(今天的火箭会在距离我们约3000万英里处追上彗星),就无法将其偏转到足够远的距离以避免灾难性的碰撞。

如何偏转致命的彗星

伍登的提议是使用聚变火箭将核爆炸物运送到即将到来的彗星上。

第一步:发明聚变火箭

这并不像听起来那么容易,而且听起来本身就不容易。但根据伍登的说法,我们需要一种速度比我们现有火箭快20到40倍的火箭,才能及时赶到即将到来的彗星,而要达到这样的速度,他说,我们就需要聚变。

几十年来,科学家们一直在讨论制造聚变火箭,主要是作为一种快速探索太阳系和前往其他星系的方式。但由于从来没有真正的“需求”来建造这样的火箭,这个想法就被搁置了。还有一个问题,嗯,聚变很难。

“当你面临一个大问题时,你需要一个大答案。”

聚变发生在两个原子核(通常来自氢原子)碰撞并融合在一起时。在这个过程中,它们会释放出巨大的能量,这些能量会促使其他原子核聚变并释放更多的能量,如此循环,形成链式反应。这种核能将是清洁的,并且几乎是无限的。

主要的障碍在于如何启动反应,这需要巨大的热量,以及在不输入比输出更多能量的情况下控制反应。国家点火装置(National Ignition Facility)和国际ITER项目等机构都在努力实现这一目标,但重大的聚变突破可能仍需几十年。即使到那时,我们还得想办法制造出足够小的聚变反应堆来装在火箭上。

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ITER

伍登希望通过引起人们对彗星危险性的关注,能够让该研究领域产生更大的紧迫感。不可否认,他自己的聚变研究也将受益于可能产生的任何资金流入。

《大众科学》(Popular Science)曾要求NASA的科学家就聚变火箭的可靠性和必要性发表评论,但我们的尝试被新闻办公室石沉大海。

第二步:使用核爆炸物“烧烤”彗星表面

当一颗巨大的、快速移动的太空岩石被发现并可能在短时间内撞击地球时,科学家们一致认为我们需要引爆爆炸物来阻止它。

但与电影《绝世天劫》(Armageddon)不同的是,他们不会用爆炸物来炸毁岩石本身。相反,炸弹会在距离彗星约半英里处引爆——足够近,可以加热它,并使其表面物质蒸发。这种质量的喷射本质上是将彗星变成了一个火箭。它改变了彗星的速度,进而改变了它绕太阳运行的轨道,有可能将其从与地球的碰撞路线上移开。

伍登估计,这次爆炸可以将彗星的速度减慢约10米/秒。这听起来可能不多,但如果炸弹在彗星预计到达地球前3到6个月引爆,那么当它接近地球时,这些秒数累加起来就可以使轨道改变约15万公里(93,205英里)。这将是一个非常惊险的擦边球,但远比正面碰撞要好。

我们为什么需要聚变火箭?

为了在只有6到18个月的预警时间内将炸弹送到彗星前面,火箭需要快速到达,速度大致与彗星相同。在去年秋天发表的一篇论文中,伍登和他的同事给出了大约53公里/秒的目标速度。

不幸的是,地球上最好的化学火箭速度约为4.5公里/秒。

有史以来最快的航天器“新视野号”(New Horizons)达到了16.2公里/秒的速度,但它通过飞越木星获得了速度提升——这会消耗时间,而且只有在行星恰好对齐时才有效。

裂变动力火箭一直在测试中,但它们的速度只能达到约8.5公里/秒。

聚变动力火箭的速度可能达到每小时2,237,000英里。

另一个更老的想法是发明一种由我们已经拥有的核弹提供动力的航天器。炸弹会一个接一个地引爆——“砰砰砰,”伍登说——同时一层烧蚀板可以保护航天器不被烧毁。这种方法或许能够及时将航天器送达彗星。然而,世界将需要在可能出现彗星的情况下,储备数千枚 freshly made 的核弹,这似乎并不是一个确保我们星球安全的良好策略。

伍登说,像《星际迷航》(Star Trek)里的反物质火箭也会很棒。“问题是我们没有任何反物质。它真的很难获得。”

对他来说,聚变火箭在目前是最可行的,他的团队计算出它可能达到约1000公里/秒的速度。

其他好处

如果我们的航天器能够以每秒1000公里的速度(约合每小时2,237,000英里)飞行,那么我们可以在不到两周的时间内到达木星。

尽管这次旅行很短,但实际制造聚变动力火箭的过程可能需要30-40年甚至更长时间。

如何实现

要让聚变火箭成为现实,可能需要NASA行星防御办公室(Planetary Defense Office)、能源部(Department of Energy)以及国防部(Department of Defense)的合作。

伍登说,目前的主要重点是寻找和追踪小行星和彗星,但这需要转向开发偏转能力。

那么开发一个聚变反应堆需要多少费用呢?伍登估计,每年100亿美元的投入将使研究走上正轨。

每年100亿美元,我们可以在30到40年内拥有聚变火箭。

每年100亿美元是一笔巨款。但另一方面,每一艘军用航空母舰的成本就高达130亿美元。而且美国人每年在化妆品上的花费大约是390亿美元。每年花费100亿美元来确保我们物种的生存,真的算太多吗?

伍登说:“每年都有十几个新的长周期彗星被发现。太阳系里就像一个巨大的弹珠游戏,问题不是‘是否’,而是‘何时’,一颗彗星会真正朝我们而来。”

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伍登在他的演讲结束时包含了这张幻灯片。格伦·伍登
 

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