簡介：利用核聚變產(chǎn)生的能量作為驅(qū)動力可大大提高星際旅行的速度。

在探索太空時，光速是一個很大的限制。光速是指光在真空中傳播的速度，精確地說是每秒186,282英里(29,972,458米每秒，或300,000公里每秒)。光速是不變的。據(jù)人類目前所知，沒有什么能超過光速。以每秒300,000公里的速度運(yùn)動可能看起來很快，但與巨大的宇宙空間相比，這和在糖漿中跋涉沒什么區(qū)別。

為了對光的速度有更好的了解，下面一些有趣的知識會幫助我們理解光速有多么快。月球距離地球大約238,855英里(384,400公里);光從地球來回一趟大約需要2.51秒。到達(dá)火星需要3分2秒，往返則是是6分4秒。一束光到達(dá)冥王星需要4.6個小時，返回又需要4.6個小時。最后，如果以光速穿行，要用4.24年才能到達(dá)離地球最近的半人馬座阿爾法星b，而這已經(jīng)是最快的速度了。

太慢了！

不幸的是，技術(shù)還沒有發(fā)展到可以把裝有宇航員的宇宙飛船以光速推動來穿越太空。假如我們的科技允許我們這樣做，宇航員將以一種奇怪的方式體驗(yàn)時間;對宇航員來說，他們體會的時間的流動速度似乎以與地球上不同。比如，在飛船上以99%的光速旅行5年的時間相當(dāng)于地球上的大約50年。然而，愛因斯坦的狹義相對論告訴我們，在人類能夠?qū)崿F(xiàn)光速旅行之前，還需要克服一些障礙。

一個物體一旦達(dá)到光速，它的質(zhì)量就變成無限大。為了推動這個無限重的物體自然需要無限的能量。這條宇宙法則有效地限制了物體移動的速度。為了創(chuàng)造出一個可以以光速或更快速度運(yùn)行的物體，我們需要改變物理定律才能實(shí)現(xiàn)。

科技前沿

世界上一些頂尖的天體物理學(xué)家一直在研究如何解決這個問題，他們提出了許多不同的理論引擎和推進(jìn)劑，而這些引擎和推進(jìn)劑可能驅(qū)動物體以光速運(yùn)動。最有希望的一個設(shè)備是利用核聚變能源來大幅減少旅行時間。參與該項(xiàng)目的物理學(xué)家估計(jì)，這種科技可以將到達(dá)泰坦——太陽系中最有趣的地方之一 (距離地球大約10億英里)——的旅行時間縮短至兩年！

這個概念性的技術(shù)叫做直接聚變驅(qū)動(Direct Fusion Drive, DFD)。這個技術(shù)依賴于一個類似太陽內(nèi)部核聚變的反應(yīng)所產(chǎn)生的能量來驅(qū)動物體?？茖W(xué)家們已經(jīng)開始想辦法利用核反應(yīng)的熱能和能量副產(chǎn)品來發(fā)電。據(jù)說，科學(xué)家們即將發(fā)布首個商用聚變反應(yīng)堆。

長期以來，核聚變動力一直是天體物理學(xué)家和致力于開發(fā)太空飛行技術(shù)的工程師們的研究熱點(diǎn)。聚變反應(yīng)堆的本質(zhì)是利用兩個較輕的原子結(jié)合成一個較重的原子核所釋放的能量，而這一過程在恒星中心不斷進(jìn)行。這個科技好比將氫彈爆炸的巨大能量以某種形式保存起來——而氫彈的動力則來自于將氫的同位素在極高的溫度下聚合在一起，形成氦，并利用這個過程中產(chǎn)生的巨大能量推動你穿越太空。這很令人激動對吧！

當(dāng)然，這個世界不是由核聚變反應(yīng)堆供電是有原因的。它們是一種理想的能源，因?yàn)槔碚撋虾司圩兎磻?yīng)堆比核裂變反應(yīng)堆更穩(wěn)定，所以發(fā)生像切爾諾貝利和福島核災(zāi)難那樣熔毀的風(fēng)險更小。其次，核聚變反應(yīng)堆也不產(chǎn)生核廢料或有毒的副產(chǎn)品。但是核聚變反應(yīng)帶來的問題也十分棘手。為了使反應(yīng)開始，我們需要將氫加熱到超過太陽核心6倍的溫度，也就是1億攝氏度。這十分的熱，所以建造反應(yīng)堆的材料要在高溫等離子體(一種電離氣體組成的積極的離子和自由電子在非常高的溫度)的極高溫度和壓力的摧殘下保持堅(jiān)挺數(shù)個月。這對建材提出了巨大挑戰(zhàn)。

直接聚變裝置

但是并非所有的希望都破滅了。物理學(xué)家們現(xiàn)在正在研究曾經(jīng)被認(rèn)為幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的東西:直接聚變驅(qū)動(DFD)。事實(shí)上，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們一直在研究一種可能將到達(dá)泰坦星（可以說是土星最有趣的衛(wèi)星）的旅行時間縮短至短短兩年。這種裝置被稱為普林斯頓反轉(zhuǎn)場裝置-2反應(yīng)堆(Princeton Field Reversed Configuration-2 Reactor)。研究人員希望它有一天能成為發(fā)射衛(wèi)星和探測器到太空的主要設(shè)備，并且背負(fù)起載著人類穿越太空的重?fù)?dān)。

普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(Princeton plasma Physics Laboratory)的開發(fā)研究人員2019年表示:“DFD采用了一種獨(dú)特的等離子體加熱系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)1到10兆瓦范圍內(nèi)的核聚變引擎。這種引擎對于人類太陽系探索、機(jī)器人太陽系任務(wù)，和星際任務(wù)來說是最適合的?！?/p>

2020年10月的新聞稿中寫道:“發(fā)動機(jī)本身利用了無中子聚變的許多優(yōu)點(diǎn)，其中最顯著的是極高的功率重量比?！薄癉FD驅(qū)動的燃料質(zhì)量可以略微變化，并含有氘和氦-3同位素。從本質(zhì)上講，DFD采用了電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)良比沖量，并將其與化學(xué)火箭的優(yōu)良推力相結(jié)合，從而融合了兩種飛行系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。”

反轉(zhuǎn)場裝置反應(yīng)堆（FRC Reactor）采用線性螺線管、磁線圈陣列來限制等離子體，并可以在比其他設(shè)計(jì)所允許的更高等離子體壓力下工作，進(jìn)而在給定磁場強(qiáng)度下提供比其他磁約束等離子體設(shè)備更高的聚變功率密度。

一般來說，核聚變系統(tǒng)被認(rèn)為是星際任務(wù)的最佳選擇，因?yàn)樗鼈兪褂脷渥鳛槿剂?，而氫恰好是宇宙中最豐富的元素，所以飛船不需要大量的氣體來補(bǔ)充燃料。這對探測器來說也很有用。不幸的是，以目前的技術(shù)，地球和土星之間的20億英里距離，探測器大約需要7年時間才能到達(dá)。著名卡西尼-惠更斯號探測器于1997年發(fā)射升空，在2004年抵達(dá)目的地——時速42500英里每小時(68397公里每小時)，其遇到的溫度在130攝氏度和-210攝氏度之間。新視野號的第一個任務(wù)是冥王星，而它花了近10年時間完成了這段旅途。

有趣的是，對天文學(xué)家來說，在發(fā)射探測器時考慮行星的排列是很重要的。例如，卡西尼-惠更斯號探測器是在金星相對接近地球的一段時間內(nèi)發(fā)射的。它從地球到金星，再回到地球，再到木星，然后是土星。每經(jīng)過一次行星，探測器都能從每顆行星獲得一點(diǎn)引力的幫助，這就增加了卡西尼號的速度。

為了繪制到土星最大衛(wèi)星的最佳路線，意大利團(tuán)隊(duì)與普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的DFD開發(fā)人員合作，并獲準(zhǔn)訪問測試引擎的性能數(shù)據(jù)。然后，他們提取了一些關(guān)于行星排列的數(shù)據(jù)，并開始研究軌道力學(xué)。他們研究出了兩種不同的可能路徑，一種是只在旅程的開始和結(jié)束時施加恒定的推力，另一種是推力在整個旅程中保持恒定?！?/p>

這兩種方案都需要轉(zhuǎn)換推力方向，以使飛船減速，進(jìn)入土星系統(tǒng)。如果提供恒定的推力，這段旅程將不到兩年，而只在旅程開始和結(jié)束施加推力可以將比卡西尼號大得多的航天器的總旅程時間縮短至2.6年。這兩種路徑都不需要引力的幫助，而前往外行星的航天器經(jīng)常受益于引力的幫助?！?/p>

如果這個設(shè)備沒有成功，還有其他幾個設(shè)備正在研發(fā)中，但這仍然是最有前景的想法之一。然而，由于下一個前往土衛(wèi)六的理想窗口期在2046年，研究人員有大約30年的時間來完善DFD技術(shù)。

BY: Jaime Trosper

FY: LUMEN

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