未来如何进行太空移民

伤我心太深

北京时间7月24日零时，NASA官方发布了一条重磅消息：他们发现了最接近地球的“孪生星球”——Kepler 452b。这是至今为止被发现的最接近地球的孪生星球，有可能拥有大气层和流动的水。一时间，舆论哗然，不管是不是科幻爱好者，在这一刻都不约而同地想到了同一个词：“太空移民”，甚至有人已经开始在畅想着那星球上的风景，会不会有另外一种智能生物，像人类一样生活在上面呢？

本文转载自：蝌蚪无线普，原标题：我们如何在太空中星际旅行？

　　然而，科学家又说，这颗星球距离我们大概有1400光年，也就是说，即便是光，也要马不停蹄地走上1000多年才能到达，更别说我们人类这些落后的飞行器了。于是探索和移民都可以放一放了，以人类的短暂寿命想要在太空中有所作为，实在不是一件容易的事。事实上，就算不说远的，只从我们对近邻的探索来看，太空旅行也是个相当困难的任务。

近地航天旅行的障碍

　　最大的障碍用一个字概括，就是钱。

　　早在1969年，我们的宇航员就已经信誓旦旦地准备探索太阳系。尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林刚登上月球，人们正巳经梦想着登上火星及更远的行星。似乎我们就站在恒星的门槛处。人类正进入一个新时代。然后，美梦破灭了。

　　正如科幻小说家艾萨克·阿西莫夫曾写到的那样，我们触地得分了，拿起橄榄球，然后回家。如今，原来的“土星”助推火箭在博物馆里闲置着，或者在垃圾场上慢慢腐烂着。整个一代顶级火箭专家被解散。当年太空竞赛的冲劲也渐渐消散而去。今天，你只能在落满灰尘的历史文献中才能找到月球漫歩的资料了。

　　到底发生了什么事？太多了，这其中包含越南战争、水门事件等，都是客观上造成影响的重大事件。但是，追根究底，就是一个词“成本”。

　　有时候，我们会忘记一点：太空航行是昂贵的，非常昂贵。仅把一公斤重的东西送入近地轨道，就要花费高达20000美元。要到达月球，这个成本会上升到接近200000美元。要到达火星，数字则会暴涨至2000000万美元（大致相当于重量为成人体重两倍的钻石的价钱）。所以，即便是当年的美国和前苏联这样的超级大国，也不能连续数十年承受如此高昂的代价。

　　遗憾的是，要想完成一次太空航行，有一个不得不越过的硬指标，这是300多年前，牛顿已经写下的物理定律。根据万有引力定律，想要把物体送入近地轨道，你必须以7.9千米/秒（即第一宇宙速度）的速度发射它才行。而要把它送入外层空间并摆脱地球的引力场，你必须以11.2千米/秒（即第二宇宙速度）的速度推进。要想走得更远，逃离太阳系，飞行器甚至需要达到第三宇宙速度。考虑到每一个作用力，都有一个大小相等、方向相反的反作用力，这个力要从哪里来呢？只能让人类去想办法。因此，从牛顿定律到计算太空旅行的成本，只有简单的一步——没有哪一条工程法则或物理学定律会阻止我们探索太阳系，除了成本问题。

　　更遗憾的是，火箭有自己的重量，还必须携带自己的燃料，这直接导致重量还得往上增加。再加上太空中没有氧气，于是火箭还必须携带自己的氧气箱和氯气箱——这玩意看起来空空如也，实际一称的话，重量也不小。和这些东西相比，最重要的宇航员以及相关的科研设备，反而只是其中微不足道的一点重量了。

　　由此也可以看出，目前的载人航空技术的性价比实在太低，随着航行距离的延长，燃料相应增加，这一比例还要不断下降。想要前往1000多光年远的目标，不说寿命，光是暴涨的成本问题就让人无法承受。

　　所以，我们必须寻找新的方法。

势在必行的技术革新

　　高昂的费用已经阻碍了太空旅行的商业进程和科研进程，因此，我们需要从传统的航天技术中跳出来，寻找一个革命性的新设计方案。科学家们预计，到本世纪中叶，他们和工程师将进一步完善助推火箭技术，力争降低太空旅行的成本。一些技术也许有一天会为普通老百姓开启太空旅游之门。虽然这些提案都具有高风险性，但是，它们可能大幅度地降低成本。

　　第一个方案是激光推进发动机：它能在火箭底部发射出大功率的激光束从而引发微爆炸，爆炸产生的冲击波推动火箭上升。一连串稳定的速射激光脉冲使水汽化，从而把火箭推进太空。激光推进系统的主要优势是能量来自陆基系统，因此它不携带任何燃料。相比之下，化学火箭在把燃料重量带入太空时浪费了大量的能量。

　　这一技术被形象地称为“光船技术”。

　　科学家们已经建立起了这种火箭的实用样机，并亲切地称之为“光船技术示范者”。早期设计的雏形的直径约15.厘米，重量只有50余克。10千瓦的激光能够在火箭底部产生一连串的激光脉冲，让气浪以2g的加速度推动火箭，并发出像是机关枪扫射的声音。这个原型机升空高度可以达到100多英尺，这相当于上世纪30年代早期液体燃料推迸火箭的升空高度。

　　也许会有这么一天，激光推进系统能够把巨大的有效载荷送入近地轨道，而每公斤重量只需要花费10美元，这将为太空旅行带来重大变革。有科学家设想用1000兆瓦（这是一座标准核电厂的功率输出）的巨型激光把两吨重的火箭送入轨道。火箭底部携带着有效荷载和水箱，而水缓缓地从水箱的细孔中漏出。当激光束冲击火箭底部时，水顷刻间汽化，产生一连串的冲击波，把火箭推向太空。火箭的加速度瞬间达到3g，并在6分钟之内脱离地球引力。

　　由于火箭没有携带任何燃料，因此，不存在助推火箭发生灾难性爆炸的危险。而化学火箭，即使经过了这么多年的发展，仍然具有约1%的事故率，而且这些事故都是非常惊人的。相比之下，光船技术显得既简单又安全，只用水和激光器，而且可以反复使用，只需要短暂的停机检修即可。因此，它最终实现的盈利会远远大于投资。

　　然而，我们也要看到这样的梦想会是未来数十年之后的事情。巨型激光发射器的基础研究所需要的经费远远超过一所大学所能承受的数额。除非该项研究得到大公司或政府的担保，否则将永远不能建成激光推进系统。要想使用这样低廉的技术，还需要等待。

　　还有其他试验性的火箭设计，但是这些设计都具有不同程度的风险。

　　其中一种可能性是“气枪”，它可以从巨型气枪中发射拋射物，有点像凡尔纳的小说《从地球到月球》中的火箭。只是，凡尔纳的火箭已被证明是不可行的，因为火药不可能以每小时40000公里的速度发射抛射物（该速度是摆脱地球引力的必要速度）。相比之下，气枪利用长枪管中的高压气体高速推进抛射物，枪里的气体是甲烷和空气的混合体，事先被增压到大气压力的25倍。当气体被点燃时，有效载荷以惊人的30000g的加速度顺着爆炸力攀升，这样的加速度足以摧毁大多数金属物体。

　　已经有科学家证明过“气枪”的构思是可行的，不过，要把有效载荷送入外层太空，气枪管必须足够长，至少也要接近300米，还必须沿弹道采用不同的气体。要使有效载荷达到逃逸速度，必须在5个阶段采用不同的气体。

　　这种方式的发射费用甚至低于激光推进系统的发射费用。然而，用这种方式发射宇航人员就太危险了，想想那可怕的瞬间加速度吧，只有能够承受强烈加速度的固体有效荷载才能采用这种形式发射。

　　第3个实验设计是“大型离心机”，我们可以想象一个吊在绳子上的球，挥动手臂，使它沿圆圈旋转，然后手一松，把它抛向空中。关于这个，科学家曾建造了一个雏形。这个桌面模型可以在几秒内以每秒1000米的速度把物体抛向空中。这个离心机由一个直径为约为1米的甜甜圈形状的管子构成。管子包含一个小钢珠。当钢珠围绕管子滚动时，小发动机把钢珠推起，速度越来越快，当它达到足够快时，管子打开，钢珠一飞冲天。

　　能把负荷拋进外层空间的真正的大型离心机必须特别大，直径或许要达到上百甚至数百米，这样才可以为负荷输送能量，直到负荷达到逃逸地球的速度。眼下，还有许多技术问题需要解决，比如钢珠与管子之间的摩擦力，要想办法让摩擦力减到最小。

　　如果有足够的资金投入研究，那么上述三种设计或许可以在未来数十年的时间内得到完善。否则，这些模型只能永远停留在设计阶段。

　　所以啊，还是钱的问题。

终会到来的星际飞船

　　让我们暂时离开眼前这些庸俗的经济问题，把目光放得更长远一些。探索是人类的天性，因此不管航天探索的成本多高，技术障碍有多大，我们终会迎来向外太空探索的那一天。科学家们大多相信，尽管最近的载人航天任务遇到资金问题，但是航天技术终会向前发展，我们会找到可以接受的大规模发射载人航天器的方式。这样，或许到本世纪末，我们将有可能在火星上，或者在小行星带中建立前哨站。以便于我们下一步瞄准具体的星球，向其进发。

　　太空中虽然没有发射时的逃逸速度这样一个硬指标，但它的广阔对推进系统的要求更高。传统的化学火箭可能需要用大约70000年的时间才能到达最近的恒星。比如，于1977年发射的两架“旅行者”号宇宙飞船就是在把物体送入深层太空方面创造了世界纪录。目前，它们已经飞出了170亿公里的距离，但这仅仅是到恒星距离的很小一部分。

　　为了增加星际飞船的速度，科学家殚精竭虑，提出了几种设计方案和推进系统：

1. 太阳帆

　　太阳帆是个听起来有点玄妙的推进系统。它利用了这一事实：尽管光没有质量，但是它有动量，因此可以施加压力。来自太阳的光压非常小，小到用手都无法感觉到，但是，如果有足够大的帆，我们又有足够的时间等待，它就能够驱动星际飞船。要知道，太空中的太阳光强度是地球上太阳光的8倍。

　　想象一个巨大的太阳帆，它由极薄的但有弹性的塑料制成，宽度达到数公里，直接在外层空间修建。一旦组装起来，它会慢慢地围绕太阳旋转，获得越来越多的动量。绕太阳旋转几年之后，它就旋转脱离太阳系，到达下一个恒星系。科学家预测，这样一个太阳帆能够使飞船的速度达到光速的0.1%（每秒300公里），在400年后就能到达最近的恒星。

　　为了缩短抵达恒星的必要时间，我们甚至可以给太阳帆增加推进器。一种可能性是在月球上放置一组大型激光装置。激光束射到帆上，在帆朝着恒星飞行时增加帆的动量。

　　由太阳帆驱动的宇宙飞船面临的一个问题是很难停止和转向，因为光是从太阳向外运动的。一种可能性是使太阳帆的飞行方向倒过来，利用目标恒星的光压让飞船减速。另一种可能性是围绕远距离恒星飞行，利用该恒星的引力在返回途中产生弹弓效应。还有一种可能性是在卫星上降落，建造激光电池，然后背对恒星光和卫星激光束飞行。但无论哪一种，都会使它的控制显得笨拙而迟钝。

　　这并不止是一个空想。2010年，日本太空开发署成功地发射了“伊卡洛斯”号太阳帆。这是利用太阳帆技术在星际空间发射的第一艘宇宙飞船。该帆呈正方形，对角线长约20米，利用太阳帆推进系统向金星飞行。日本人希望，最终能够利用太阳帆推进系统向木星发射另一艘飞船。

2. 核火箭

　　和许多科幻作品一样，科学家也考虑过用核能驱动星际飞船。只是在上世纪五六十年代的一系列试验中，有关核火箭的构思基本都以失败而告终，因为它们太不稳定，太复杂，以至于无法处理。而且我们还在试验中发现，普通的聚变反应堆不能产生驱动星际飞船的能量。一座典型的核电厂的发电量约为10亿瓦，这样的能量不足以抵达恒星。

　　有科学家因此提议采用原子弹和氢弹而非反应堆为星际飞船提供动力。比如大名鼎鼎的“猎户座计划”提出的火箭是由原子弹爆炸所产生的一连串核冲击波推进的。星际飞船可以从其后面丢下许多原子弹，产生一系列强大的X射线冲击波，然后冲击波会推动星际飞船向前飞行。这是一个一举两得的计划，既可以帮助人类探索外太空，又可以借机消耗掉地球上那些危险的武器。有物理学家估计，一艘重达800万吨的飞船开展一次太阳系内的航行，大约需要1000颗氢弹提供动力，这是个相当划算的数字。

　　只是后来出台的《全面禁止核试验条约》扼杀了“猎户座计划”，该条约禁止实行核武器的地面实验。没有了实验，物理学家无法对项目的设计进行改进，于是只能黯然终止。

3. 冲压喷气聚变

　　有科学家提出了另一个核火箭建议，他把聚变发动机想象成类似普通的喷气式发动机。冲压喷气式发动机吸取前面的空气，然后与燃料进行内部混合。点燃空气和燃料混合物后，产生化学爆炸，形成推力。他设想着把相同的基本原理应用于聚变发动机上。冲压喷气聚变不吸取空气，而吸取星际空间到处可见的氢气。氢气被电场和磁场挤压、加热，直到氢气融合成氦，这个过程释放大量的能量，引发爆炸，然后产生推力。由于在外太空在理论上存在着取之不尽的氢气，因此，我们可以想象得到，冲压喷气聚变发动机能够永久运行。

　　只是，冲压喷气式发动机还面临着一些问题。比如，由于质子主要存在于星际太空中，所以聚变发动机必须燃烧纯氢气，产生的能量也会随之削弱不少。要知道，融合氢气的方法很多。在地球上，最好的方法是融合可以产生大量能量的氘和氚。可是科学家发现外太空中的氢是单个质子，因此，沖压喷气式发动机只能用质子融合质子，其产生的能量不如融合氘和氚所产生的能量多。

　　而更重要的问题是制动和转向。当冲压喷气式发动机一路加速时，它必须受到足够强大的拖曳力，以防其加速至接近光速。这个拖曳力是星际飞船在经过氢原子场时所遇到的阻力形成的。目前，在我们更好地掌握聚变过程以及太空离子的牵制效应之前，冲压喷气式聚变发动机仍然没有定论。不过，如果能够解决这些工程设计问题，或许它的问世指日可待。

4. 反物质火箭

　　另一个可能性是利用宇宙中最强大的能源——反物质，为飞船提供动力。反物质，即物质的对立面，带有反电荷；比如一个电子带有负电荷，而反物质的电子（正电子）则带有正电荷。反物质与普通物质接触后就会毁灭。科学家计算，一茶匙反物质所具有的能量足以摧毁整个纽约市区。

　　原则上，反物质可以用作星际飞船火箭的理想燃料。科学家估计，4毫克反物质可以把人类送上火星，100克反物质或许就足够把人类送上最近的恒星。在相同重量条件下，反物质释放的能量是火箭燃料的10亿倍。这样一看，反物质发动机似乎很简单：我们只要把一些反物质粒子稳稳当当地放入火箭燃烧室，反物质与普通物质结合，就会发生巨大的爆炸。然后，爆炸气体从燃烧室一端喷出，形成推力。

　　但实际上，我们的梦想还很遥远。到目前为止，物理学家已经能够制造反电子、反质子和反氢原子，其反电子围绕反质子旋转。可是，资金问题再次站到了我们面前。已知唯一的生产大量稳定反物质的方法是利用类似于粒子加速器的原子击破器，这些设备极其昂贵，而且只能生产小量的反物质。比如，2004年，欧洲核子研究组织的原子击破器以2000万美元的代价仅生产出了几万亿分之一克的反物质。按照这样的速度，要生产出为星际飞船提供动力的反物质。可能要耗尽地球的全部资金。也许反物质发动机并非一个不着边际的想法，而是符合物理定律的。但是，在近期看来，建造一台反物质发动机的成本令人望而生畏。

　　可放眼未来，这一切有可能发生变化。反物质之所以如此昂贵的原因之一，是生产反物质的原子击破器非常昂贵。然而，这些原子击破器都是多用途设备，其设计目的是生产奇异的亚原子粒子，不是用于生产被大家熟知的反物质粒子。它们只是研究工具，不是商业设备。可以想象，如果我们能设计出可以生产大量反物质的新型原子击破器，那么其成本就会大幅度下降。因此，大量制造这些设备，就有可能制造出大量的反物质。有专家认为，反物质的成本可能最终降到每毫克5000美元，这已经是一个相当诱人的价格了。

　　另一种可能性是在外层太空中寻找一颗反物质陨星。如果能找到这样一颗陨星，我们就可以为星际飞船提供足够的能量。如果能在太空找到大量反物质，那么我们就能设想采用大型电磁网收集反物质，用来做我们探索更远地区的燃料。

　　尽管我们可以肯定反物质星际火箭符合物理定律，但是，也许要到本世纪末才可以降低其成本。如果可以做到这一点，那么，我们大家就有望看到用于推动星际飞船的反物质火箭诞生的那一天。

5. 纳米飞船

　　说起星际飞船，我们会直观地想到一个充满了最新高科技的、巨大的、未来的形象。可是在科幻小说《三体》中，维德的那句“只送大脑”却为我们指出了另外一条道路：也许，我们并不需要在飞船上搭载那么多东西，自然也不需要做出那么大的飞船。

　　一种可能性是利用纳米技术制造一艘小型星际飞船，它也许不比一个针头大，甚至更小。理论上，星际飞船的基本功能是有可能被纳米技术小型化的，这样，我们就可以把数以百万计的微型纳米飞船送上附近的行星，不过只有其中的一小部分能真正抵达恒星。—旦它们到达附近的恒星，它们就会建造一个工厂，无限制地自我复制。

　　有科学家认为，在探索方面，小型纳米飞船并不比专业宇航员逊色。小而强大的纳米级设备运输简便。很容易被送到与我们相邻的恒星和卫星大气层的表面或表面之下，以至进入大气层……我们甚至可以推断出进行星际探索的可能性。

　　在自然界，我们也可以找到类似的案例。晡乳动物仅生育少许后代，并确保它们大多成活。昆虫能够生育大量后代，仅极少部分可以成活。两种不同的方法都能够让这两个物种生存数百万年之久。同样的道理，我们不向恒星发送单一的、昂贵的星际飞船，而是发送数百万艘小型星际飞船，每艘花费不多而且不消耗太多的火箭燃料。

　　科学家把成群动物称为“超个体”，即似乎具有自己的智慧的群集动物，不受任何单个个体能力的影响。他们希望借鉴自然界中的这些经验，设计成群的机器人，有朝一日让它们完成通向其他行星和恒星之旅。

　　纳米飞船的另一个优势是，只要非常少的燃料就能把它们送入太空。以令人难以置信的速度把微型物体送入太空相对容易，不需要使用大型助推火箭就能达到足够的逃逸速度。实际上，利用普通的电场就能很容易地以接近光速的速度发射亚原子粒子。纳米粒子携带较小电荷，用电场很容易加速。这样一来，我们无须使用大量能源就把一个探测器送上另一颗卫星或行星，单个探测器也许能够进行自我复制，建造整个工厂甚至卫星基地。然后，这些自我复制的探测器点火起飞，对其他世界进行探测。这也许并没有直接解决人类如何向外太空探索的问题，但这样建立起来的卫星基地却能为我们的探索提供难以想象的帮助。

星际旅行，太空移民？

　　100年后，可能我们巳经把宇航员送上火星和小行星带，也完成了对木星卫星的探测，开始把探测器送到其他恒星系中。距离真正意义上的恒星级星际航行，又大大迈进了一步。但不管是你还是我，在那时候或许都已经不存在了。至于离开地球，太空移民，那更是遥遥无期。

　　其实不难想象，也许在我们将来去世后的很长时间都不可能建造出真正的恒星间移动的星际飞船。我们现在谈论星际探索，只是谈论着一个梦，一个让我们跳出现实生活，看得更远的梦。就像NASA发言人在回答记者提问时所说的：“在发现了地球的孪生星球后，我们想到的第一步总是找到答案，看看我们是否孤单。虽然我们也许不可能去这些行星旅行，但我们的后代子孙会去”。

　　我们现在的所有发现和想象都是为了未来，相信未来总有一天会到达。好奇与期待，这正是科学赋予我们的最美好的人生意义！