设想如何在恒星之间，用相对较短的时间进行星际旅行？

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本文作者：今日头条


飞向恒星

迄今为止，地球仍是我们所知宇宙间唯一有智能生物存在的星球。但是，自地球上出现人类以来，世界人口已经超过70亿。

人类人口的迅速增长，促使人类向地球索取更大的资源。但是，地球的资源并不是取之不尽，用之不竭的。为了保护地球的生态环境，几代科学家都在设想开发其他星球，并去那里旅行甚至向那里移民。但是，这些设想可行吗?这样的设想在将来的某一天会成为现实吗?物理法则怎样才能准许我们横跨恒星之间巨大的距离呢?

如何用一些些新奇的有关推进器的概念，利用它们可以在恒星之间用相对较短的时间进行星际旅行。现在，就让我们简单地考虑一下为什么我们可能到其他恒星旅行?

物理学上的问题

最近的几年中，天文学家在我们的银河系中发现了200余颗围绕恒星运行的行星。在那些地方是不是有智能生物存在呢?然而，要证明围绕其他恒星旋转的．行星上是否有生命存在谈何容易，更不用说了解它们的生物学和演化史的详细内容，除非我们能够拜访那些行星，直接观察它们。的确，人类的整个行星探索历史告诉我们，我们需要宇宙飞船来研究行星，这对于其他行星体系也同样适用。

但是，我们能利用可预知的技术飞向遥远的恒星吗?

或许能。现在我们来阐述利用核聚变能量和物质与反物质相互湮灭时发生的质能转换来推动的火箭推进器到达恒星的可行性。

星际飞船

到目前为止，世界上已经有四艘人造宇宙飞船在驶向恒星的途中，它们是：“先锋1”号、“先锋2”号、“旅行者1”号

和“旅行者2”号。

然而，除了太阳外，距我们最近的恒星半人马座a星，距我们4.2光年，以这些飞行器现在的速度(大约每秒10千米)，它们到达该恒星至少得花120000年时间。

如果我们想要在几十年的时间里到达离我们最近的恒星，就要以至少10％或20％的光速行进，这需要一种比“先锋”号和“旅行者”号的化学燃料推进器力量大得多的推进系统。

核燃料火箭

目前，最新星际飞船的设计研究就采用了核燃料。20世纪70年代晚期英国星际学会进行“代达罗斯”计划就是利用这种技术来设计一艘自动飞船，能够将无人驾驶的450吨的科学载荷加速到光速的12％。若以这种速度行进的话，到达半人马座a星只需花36年时间。

“代达罗斯”计划概念图

在该项设计中，推进器是以氢的两种同位素之间的聚变反应为基础的。将含有氘和氚的球丸灌入火箭发动机，并将它们加热、压缩到出现聚变反应所需的高温和密度。这时产生的离子气体云由磁场导向，用来产生推力。这一设计分为两级，每一级将燃烧2年，之后450吨的载重将以12％的光速自由飞行。

然而，为了获得上述速度。需要50000吨的氢同位素。要全部装上这些燃料，我们的飞行器至少得200米长才行。

“代达罗斯”计划想象中的飞行器将在太空中建造。如此做法有两个原因：第一，该飞行器过于庞大，在地球的引力范围内难以发射；第二，氮3是一种稀有的同位素，它必须从木星富含氦3的大气层中获得。

另一个与核能火箭相关的主要问题是：它们能否在其目的地停下来。如果利用50000吨的燃料将速度增加到12％的光速，那么就需要同样大的能量才能使它停下来。这就是说，要使450吨的科学载荷完成这样的任务，必须得有100000吨的有效载荷才能达到。似乎，这是一条完全不切合实际的道路。

因此，“代达罗斯”计划将只会是一次不能减速的在目标恒星系统边缘飞行的计划，而且就这样的相遇也只有几个小时。为了扩大在这一时间内所要收集的信息数量，“代达罗斯”计划将配置许多附属探测器，尽可能多地接近各个行星。然而，尽管这种相遇能进行饶有趣味的观测，但还是不能对星球进行详细、全面的观测。要进行这样一种观测，就必须在其他恒星的行星上着陆，这就需要比核聚变更强大的能源。

反物质火箭

核聚变能将少量的聚变核的质量转变成能量。然而，原则上，需要一个能将质量100％地转化为能的物理过程，这就是通常所说的物质与反物质的相互湮灭原理。所有亚原子粒子都有其对应的粒子，当它们相撞时，就会转化成能量。现在，大多数反物质火箭发动机的设计假设，少量反物质将会与更多的正常物质混合，它能通过火箭喷嘴释放和膨胀的能量产生推进力。

需用多少燃料

现在，我们来考虑一下这个过程需要多少反物质。我们把飞船所需的动能与反物质湮灭时释放出来的能量等同起来，假设飞船的速度与光速不是很近，根据相对论，理论上我们就能估计出推动每1000千克的重量所需反物质的质量应该是2.5千克。然而事实并不这么简单，还要考虑到飞船完成任务必须携带的各项工具，反物质发动机的工作效率及发动机本身的质量。

我们必须承认这个事实，截至目前还没有人知道反物质发动机到底会有多大!因此，要想获得10％的光速，所需的反物质有可能是理论值的几倍甚至几十倍。

获得燃料

然而，反物质燃料的获得有两大问题。首先反物质很难储存，尽管从理论上讲，磁场中可能包含有它，但如何避免它在火箭发动机中需要之前与普通物质接触是个棘手的问题。其次，任何反物质在自然界中一旦出现就会马上和物质对灭。因此如果我们要利用反物质，首先就要制造它。

一般说来，反物质可以在核物理实验室中产生出来，但这只是少量。反物质的生产效率极低——生产所需的能量要比我们从反物质的最终湮灭中获得的能量大1000万倍。这就需要我们建立一个专用的反物质工厂。

然而。假定我们需要制造10千克的反物质，那么所要消耗掉的能量是多少呢?

展望未来

尽管生产反物质既耗资巨大又技术难度大，但是，反物质作为一种火箭燃料的长处，就在于它的能源密度，而且只需要相对低的燃料重量。这是一个特别需要考虑的问题，要知道，“代达罗斯”计划就是因为燃料重量过于庞大而无法实现着陆的。然而，从理论上讲，有了反物质就有了把几吨重的科学仪器加速到10％的光速，从而行进到目标恒星系统并将这些仪器释放下来的可能性。其需要的总燃料重量不到1000吨，其中2吨是反物质。

很显然，从科学探索的观点来考虑，这样的做法是很有利的。现在，把反物质作为燃料的巨大技术难点催生的许多替代推进器已经有了长足的发展，让我们期待其中的一些推进器在不久的将来得以应用。

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