怎樣讓科幻電影中的星際旅行變為現實?
2017-01-12 14:45:32   來源:環球網
內容摘要
把人類送向其他恒星的想法仍然停留在科幻的范疇內,那么如何怎樣的技術才能讓人類在星際旅行的愿望成真?NASA的火星之旅就是幫助人類星際旅行的一項基礎工作。

  現在,人類的旅行者一號已經到達太陽系邊緣,然而,人類的技術應該如何發展才能進行星際旅行呢?

? ?從某種意義上來說,人類邁向星際空間的旅程已經開始了。NASA的旅行者一號(Voyager 1)已穿過太陽系的磁泡區,接觸到了星際風。旅行者二號(Voyager 2)也緊隨其后。新視野號(New Horizon)拍到了冥王星的照片,繼續飛向更遙遠的位于太陽系邊緣碎石堆般的小行星群。在更靠近地球家園的地方,我們正在研究能幫助我們跨越更遙遠距離的技術。未來火星之旅或深空之旅中也許會出現宇航員吃著長在國際空間站(International Space Station)里的長葉生菜這樣的場景。

  目前來看,把人類送向其他恒星的想法仍然穩穩停留在科幻的范疇內——就像新電影《太空旅客》里描繪的,在電影里冬眠的旅行者在飛行途中醒來。但是NASA目前還沒有公布任何太陽系外的新任務,科學家和工程師都在竭力研究有朝一日能將我們帶出太陽系的技術。

  NASA的火星之旅計劃目標是通過機器人任務把人類送上紅色星球,這將有助于打好基礎。

  “推進力,能量,生命支持,生產,溝通,導航,機器人:火星之旅迫使我們在這些領域取得突破,”NASA位于華盛頓的航天技術任務局(Space Technology Missions Directorate)總工程師Jeffrey Sheehy說,“那些系統還沒有先進到完成一次星際任務。但是火星能把我們帶入更遠的太空。這是走向群星的一步?!?/p>

  好奇號火星車(Curiosity the Mars rover)在莫瑞孤峰群(Murray Buttes)自拍。NASA的火星之旅目標是通過機器人任務把人類送上紅色星球,這將有助于打好基礎。

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  繪制未知

  按電影《太空旅客》那樣把我們自己扔向最近的比鄰星(Proxima Centauri)需要穿越幾乎無法想象的遙遠距離。我們需要真正的外來技術,例如假死(suspended animation)或多世代生命支持系統(multi-generational life support)。這讓有人旅行至少在短期內變得遙不可及。

  但是機器人星際探索器的可能性逐漸獲得更高關注。星際探索器的先驅們說過,輻射,能量,行星間充斥著粒子的空間——所謂的星際介質(interstellar medium)——已是極有價值的科學研究目的地。

  ”我們需要更多探險者,需要把更多區域探索器投放到這塊地區,這樣我們才能更好地理解太陽與星際介質間的情況,“NASA位于加州帕薩迪納的噴氣推進研究室(Jet Propulsion Laboratory)的工程學研究員Leon Alkalai說,他也是2015年一篇關于星際空間探索報告的合作者?!熬拖窆艜r候的水手一樣,我們需要開始繪制地圖?!?/p>

  Alkalai的報告,《科學與實現星際介質探索的可應用技術》(Science and Enabling Technologies for the Exploration of the Interstellar Medium),描繪了已知和未知的大片區域,從黑暗,遙遠,遍布小行星的柯伊伯帶到“弓形波”(bow shock)——區分太陽的離子泡(bubble of plasma)和星際風的波狀轉換。以30多位專家在凱克空間研究所(Keck Institute for Spacce)兩次討論研究的成果為基礎,該報告提出了關于這片浩瀚宇宙的結構,構成和能量流動的現實問題。同時它也描繪了在現有技術條件下關于可行的星際探測器的最具體的一幅景象?! ?/p>

  一幅關于星際介質的插畫。太陽引力望遠鏡(solar gravity lens)標記了一個概念飛船在星際空間的位置,它可以借助太陽作為巨大的透鏡,放大拉進觀察繞著其他恒星旋轉的行星。?

  報告還關注了設計參考任務(Design Reference Mission),科學家開始研究梳理星際探測器的技術指標,作為概念性的發起點。最終的概念探測器需要滿足“大膽,有挑戰性,能激發公眾熱情”,并且能作為”探索另一顆恒星的理性的第一步“,報告中如此描述道。這是可以回溯到上世紀70年代,NASA科學家開始研究星際探測器概念以來最新的成果。

  在這個概念性的場景中,子彈形狀外罩下的碟狀探測器作為空間發射系統(Space Launch System, SLS),NASA下一代大型火箭,的負載于21世紀20年代后半葉發射升空。借助地球,木星和太陽的引力推動,探測器能在10年內抵達星際空間。相比之下,旅行者一號花了36年才抵達日球頂層(heliopause),也被稱為星際空間的邊界。

  探測器通過下一代的同位素溫差發電機(radioisotope thermoelectric generators)提供的電能和火箭驅動,增強版本的同類發電機已搭載在好奇號火星探測器上。探測器會搭載不同種類的傳感器和一個通信天線。它能夠研究星際介質和它們與太陽系的邊界,或許還能飛經一個位于太陽系中位于冥王星以外軌道的未知空間軌道的柯伊伯帶星體。

  今后的研究還會關注探測器使用電力,或太陽帆或電動帆推進的可能性。

  阿波羅八號(Apollo 8),第一個載人月球任務,于1968年12月24日圣誕夜進入月球軌道。當晚,宇航員在月球軌道上通過直播展現了從飛行器上拍到的地球和月球的場景。未來可能實現的技術,例如太陽引力透鏡,能讓我們更清晰看到其他世界的細節,例如大陸和海洋,就像圖中的地球一樣。

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  太陽引力:另一個世界的窗戶

  一個在報告詳細描述的概念飛行器同樣能夠飛出太陽系,但它的飛行目的地僅限于此。任務的焦點,字面意義上的焦點,就是在外星世界上。

  這個概念飛行器會停留在靠近星際空間的位置,借助太陽作為巨大的透鏡,以便放大拉近觀察繞著其他恒星旋轉的行星。這個太空望遠鏡會飛到冥王星以外更遠的位置,約為日地距離的550倍,或者更遠。它將利用愛因斯坦所描繪的一種效應:引力會彎曲光線。

  遙遠恒星和它的行星所發出的光會在太陽的邊緣彎曲,就像水流過一塊石頭那樣,在另一側的某個焦點交匯——在那里它們會被放大。望遠鏡所處的位置正好能捕捉到這些影像。

  這些圖像會形成一個圍繞太陽的環形,稱為愛因斯坦環(Einstein ring),技術上的挑戰將非常嚴峻:放大失真的圖片需要被處理,碎片化的圖片需要拼合起來。但是一旦成功,這個透鏡將足以展現一顆圍繞著其他恒星的系外行星的表面細節。

  “這幾乎就像從月球上看到地球升起的畫面一樣,”Alkalai說,回憶起1968年阿波羅八號宇航員發回的標志性圖像,“你能看到云層,大陸和海洋,那種尺度的圖片。從地球上看,每個系外行星的影像都只是一個像素,所以你就像通過吸管看系外行星一樣。如果你想看到系外行星上的大陸,你需要太陽引力透鏡這樣的東西?!?/p>

  一旦我們準備好向另一個恒星前進,推進力的問題就成為了核心。攜帶大量燃料罐會把星際探測器的重量增加到不可承受的范圍。

  但是Sheehy說,即使達到十分之一光速就能讓星際探測器在50年里到達最近的恒星。

  “我們永遠不可能通過化學反應加速到那樣的速度,”他說,現代火箭即是如此。

  Sheehy說,一個答案可能已近在眼前,包括“定向能量”(beamed energy)。一個位于地球表面或軌道上的激光陣列,能讓裝備了激光帆的太空探測器加速到光速的哪怕幾分之一。NASA的創新先進概念計劃(Innovative Advanced Concepts Program, NIAC)最近選擇了一個由加州大學圣巴巴拉分校的Philip Lubin領銜的類似項目,為其今后的研究投入了第二筆資金。

  NIAC最近還為一個概念項目提供了資金,也許會讓《太空旅客》的影迷感到安心。這個被稱為“通過誘導冬眠進入靜止狀態實現棲息地向火星轉移技術”(Advanced Torpor Inducing Transfer Habitats for Human Stasis to Mars)的研究結果由亞特蘭大太空工作室(Space Works Inc.)的John Bradford提出,研究了如何在地球到火星的旅程之中讓宇航員降低新陳代謝速率進入深度睡眠狀態。盡管并不是真的假死狀態或為星際旅行設計,這樣的項目顯示了把脆弱的人體送到星際空間時所面臨的極度困難的技術難題。

  第一朵在國際空間站植物種植系統(Veggie plant growth system)中開花的百日菊。在太空中種植食物是嘗試星際旅行前人類需要面對的一項挑戰。

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  打印披薩

  如果人類這個種族要嘗試這種長達幾十年甚至幾世紀的旅行,也許需要某種暫停與恢復生命機能的能力,或者能維持幾代人類生命的飛行器。

  “發射艙里的人類不是最終到達半人馬座阿爾法星(Alpha Centauri)的人類,”Sheehy說,“可能是他們的孩子。但是這80年里他們也要吃東西啊?!?/p>

  Sheehy說,研究在太空中種植糧食也許能幫上忙,盡管在太空中用種子種植植物需要“太空大房地產商的實力才行。一整株番茄太大了,生菜的大小還可以?!?/p>

  另一個可能的解決方案是3D打印機,“它能一層層打印3D物體。為什么不能這樣打印分子?為什么不能打印食物?你能打印一張披薩么?”

  Alkalai還認為人類的星際旅程會是一個極度遙遠的愿望。

  “把人類送到星際空間的概念離我們太遠了,相當于人類需要擁有一個星球體量的資源,”他說,“我唯一喜歡的有些許科學基礎的科幻故事不是造一艘星際迷航里的企業號,而是真的俘獲一顆小行星。

  “想象一下一個可以擁有雙子星(binary asteroid)的那代人。他們可以利用其中一顆把另一顆甩到星際空間。然后你在小行星上有所需的資源,鐵,碳,其他材料。他們能開采,作為生存與獲取能量的方式。你需要想象一個為好幾代人設計的情景?!?/p>

  但Sheehy說,即使是向行星發送機器人探索器這樣的艱巨任務也是鼓舞人心的,而不應該覺得沮喪。

  “作為人類,我們去過的任何地方,我們總能學到一些東西,即使我們只是越過了一座山的距離,”他說,“許多次,在這樣的旅程里,我們能更好地了解自己。我們總會有一些驚喜的發現?!?/p> (如需轉載,請注明來源自 科技世界網

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