資料來源：北京日報

2003年11月3日

天文學家們相信，人類終能在地球鄰近的星系中找到一個新的“地 球”。如果有一天，這個目標實現了，人類又怎么能在有限的生命 里，飛到距地球光年距離的目的地呢？《發現》雜志撰文介紹了科 學家在星際旅行方面的最新進展。 美國宇航局計划10年后發射一個天文望遠鏡，名為“地球行星探測 器”，在太陽系尋找一個新大陸。預測認為，觀察大約150個鄰近 星系可能會找到一個類似地球的小型行星。 如果找到了新的“地球”，會出現什么樣的情況呢？然而，要到新 “地球”探險的難度可比到火星的難度多得多了。人們在黑夜中能 看到的最亮的也是離地球最近的半人馬座阿爾法恆星，其中可能存 在類似地球的行星，但它離地球卻有4．4光年之遙，比目前任何太 空探測器所飛行的最長距離還要多3000倍。巨蟹55恆星中有3顆行 星，它們組成了一個與太陽系類似的系統，但離地球卻達到41光年 遠，比前者的距離還要多10倍。因此，要飛到一個能給人類居住的 新“地球”，需要超快的航天器，它要比今年所有的航天器都要先 進得多。 但美國宇航局噴氣推進實驗室的羅伯特﹒弗里斯比認為，這樣的航 天器從理論上說是可以制造的。目前，弗里斯正在研究5種可能使 宇航員飛到半人馬座阿爾法恆星只需要花費不到50年時間的推進技 朮。 原子火箭 俄羅斯物理學家齊奧爾科夫斯基發現，星際旅行最大障礙是：火箭 的最大速率一般只有其發動機的噴氣速率的兩倍左右，發動機的噴 氣速率只能達到4．4公里／秒，因此單級火箭能達到的最大速率不 到9公里／秒。以此速率，到達半人馬座阿爾法恆星，將需要12萬 年。如果讓一個宇航員花40年抵達目的地，火箭速率需要提高3000 倍。如何才能達到這么快的速率，弗里斯比建議，使用核裂變、核 聚變和反物質作為推進劑。 核裂變火箭 科學家制造了原子彈和核反應堆。當原子裂變時，所產生的“分裂 碎片”速率達到光速的3％，即約每秒9000公里。美國人設計了一 種概念型的“分裂碎片”反應堆，可以控制這些高速粒子，使火箭 的速率能提高到約每秒1．8萬公里，約光速的6％。 弗里斯比提議，把兩個核裂變火箭疊加組成二級核裂變火箭，使其 飛行速率達到光速的12％。再加上兩極減速火箭，人類只需要大約 50年的時間就能進入半人馬座阿爾法恆星。為了使重量減少至最小 ，核裂變火箭應該使用能快速衰變的 這樣的燃料。并非自然界中 存在的放射性元素，而是用人工核反應制造。據估算，飛到最近的 恆星需要大約200噸 ，此外還要相當重量的輻射防護材料，使用核 裂變火箭進行星際旅行變得不切實際。 核聚變火箭 與核裂變相反，核聚變是把原子結合在一起，從而獲得能量。聚變 反應堆能減少不必要的一些輻射，也容易獲得燃料氘和氚，因為氘 和氚在月球的表面和木星的大氣中大量存在。在到另一個恆星的星 際旅行之前，核聚變火箭完全可在太陽系內找一個地方補充燃料。 然而，科學家至今仍沒有建造出一個可工作的核聚變反應堆。人們 已經知道利用核聚變反應制造了氫彈，但卻沒有掌握該反應產生的 能量控制技朮。不過，一旦科學家掌握了核聚變技朮，他們將能控 制聚變反應產生的帶電粒子，并讓它們從一個磁場噴口噴出。這一 過程能被應用于二級火箭，使其速率達到光速的12％。 反物質火箭 有一種方法可以以近100％的效率將物質轉化為能量，也就是把物 質與其鏡像反物質相結合。物理學家已經制造了少量的反物質，歐 洲核子研究中心最近就制造出了1百萬個反氫原子。對星系旅行火 箭來說，反物質將是重要的燃料。然而，想要獲得星際旅行火箭所 需要的大量反物質，是極其困難的事。 在反物質火箭中，等量的反氫原子和氫原子在燃燒室中混合，如果 重量都是半磅（1磅約為453．592克），兩者結合湮滅時所產生能 量將比10兆噸氫彈釋放的能量還要大。采用與核裂變火箭類似的方 法，用磁場把這些粒子束縛起來，能使其噴射速率達到光速的三分 之一，使火箭的最高速率達到光速的66％。“這是迄今人類所能制 造的最強功能的火箭。” 二級反物質火箭飛到半人馬座阿爾法恆星花費大概41年，需要大約 90萬噸燃料。在更遠距離的星際旅行中，四級（兩級加速，兩級減 速）反物質火箭將更能顯示出自己的優勢。據弗里斯比計算，飛到 巨蟹55恆星需要3800萬噸反物質燃料，耗時130年。而采用聚變火 箭，同樣的航程則需400年。專家說，星際旅行需要更輕、更靈活 和更快捷（接近光速）的推進系統。目前，這樣的概念型系統有兩 種，一種不久將接受測試，而另一種則如同半人馬座阿爾法恆星那 樣遙遠。 原子火箭以外新的技朮 激光帆船 弗里斯比說，激光帆技朮是人類星際旅行最可行的技朮。這一技朮 的理論是，正如帆船依靠風力漂洋過海，大功率激光束也能推動巨 大“帆”的航天器在太空遨游。 工程師已經制造了一種簡單的太空帆船，但它利用太陽光而非激光 束。在几個月后，太空愛好者私人組織“行星協會”就計划從巴倫 支海，利用俄羅斯潛艇發射人類歷史上第一個太陽帆船“宇宙1號” 。它重50磅，鍍鋁“帆”寬達100英尺，依靠太陽光升入更高的軌 道。太陽帆船的好處是不用燃料，然而遠離太陽后將無法繼續前進 。 而聚焦的激光束則不像太陽光那樣隨著距離增加而散射、減弱，它 能將“帆船”推到半人馬座阿爾法恆星甚至更遠。弗里斯比設計了 飛往巨蟹55恆星的方案，他采用600英里（1英里合1609米）寬的鋁 箔帆船，中間是宇航員艙。從地球軌道或月球表面上發射的高能激 光將通過一面600英里寬的鏡子聚焦，再推動帆船。但由于鋁的熔 點為660攝氏度，因此帆船還需要使用更輕、更有彈性的材料，比 如鈮（熔點為2477攝氏度）或鑽石（在1799攝氏度時轉化為石墨） 。 可是，根據弗里斯比的估算，要到達巨蟹55恆星，激光器應該穩定 地輸出1．7億億瓦特，是地球上任何單位時刻所消耗能量總和的12 00倍。面對如此巨大的需求，弗里斯比建議使用太陽能，靠特殊裝 置把它轉變為聚焦、連續的高能光束。目前，美國物理學家已研制 了一種能將光密度提高8．4萬的系統。 弗里斯比計算說，激光帆船能在10年內飛行速率達到光速的一半。 而如果采用直徑為200英里的激光帆，人類可以在12年半的時間內 抵達半人馬座阿爾法恆星﹔采用600英里寬的激光帆，飛到巨蟹55 恆星也只需86年。 聚變沖壓式噴氣發動機航天器 理想的航天器應該同時具有激光帆和原子火箭的優點，這樣，宇航 員能操縱它隨意飛行，同時它還不需要燃料。物理學家提出聚變沖 壓式噴氣發動機，它利用巨大磁鐵形成了直徑數萬公里的磁漏斗， 磁漏斗可以在星際旅行過程中收集氫，作為反應堆的燃料。沒有燃 料重量的拖累，航天器在聚變沖壓式噴氣發動機的推動下，能以接 近光速的速度在星系中穿梭。但弗里斯比表示這一技朮遠未成熟。 利用該技朮的航天器在飛行速率不到光速的4％時，運行情況與聚 變火箭相似。超過這個速率，航天器的磁漏斗才能收集足夠的氫提 供給反應堆，這種航天器飛到半人馬座阿爾法恆星需要25年，飛到 巨蟹55恆星需要90年。 人的問題 與技朮問題一樣麻煩。盡管人們已經知道如何讓宇航員在太空站中 保持健康，然而宇航員每次執行任務的時間一般只有几個月，并且 有宇宙飛船從地球定期給他們送生活用品。而星際旅行常常花費數 十年的時間，中間根本沒有地方補充食物等生活必需品。 地球以有限的大氣、水和耕地養活了60億人。然而，人實際上只使 用了大氣、水和耕地這個系統的一個很小部分。在航天器里，就可 以模擬制造這樣的系統，也就是說，用適量的水、氧氣和食物供人 生存。但是，這些水、氧氣和食物都必須以近100％的回收率一次 又一次地循環。科學家把它稱為封閉的循環。如此，人在太空中生 存的條件就具備了。 食物 要保持食物持續供應，就需要有相應的糧食種植和收獲。美國宇航 局的專家認為，這不是特別難，問題在于它能多有效。目前，他們 正在進行小麥和西紅柿的相關實驗。而研究表明，多數植物在高濃 度的二氧化碳情況下長勢喜人，二氧化碳可由宇航員呼出的氣體提 供。這些專家說，只需要合適的質量和電力，就可以不斷地生產糧 食了。 氧氣 宇航員吸入氧氣、呼出二氧化碳。二氧化碳能通過儀器從宇航員生 活環境氣體中分離出去﹔接著再用化學方法把它分離成兩個氧原子 和一個碳原子，從而獲得二氧化碳中的氧。科學家打算不久之后在 國際空間站中采用這樣的氧氣循環法。 水 一個封閉的水循環意味著把洗澡用的水、種糧食用的水、尿甚至汗 都要回收。美國宇航局在地面隔離艙的實驗，已經通過冷凝空氣中 的水蒸氣、回收廢水和尿成功地讓水循環利用了90天。 引力 在失重狀態下呆几個月后，宇航員就會患上骨質疏松症。在航天器 上，可以有一個簡單的方法模擬地球引力：讓宇航員艙旋轉，產生 的向心力就相當于地球引力。 輻射屏蔽 每一艘航天器都將受到太陽風的影響，太陽風是從太陽表面高速噴 射出來的離子粒子流。而在更深邃的太空中，航天器肯定還要受到 宇宙射線等的輻射。這些都有可能殺死宇航員。裂變、聚變和反物 質也同樣產生輻射。諸如石墨之類的輻射屏蔽將是必需的。 垃圾保護層 星際中特別空曠，但太空垃圾卻防不勝防。即使是一個以一半光速 速率飛行的用顯微鏡才能瞧清楚的太空垃圾，也能給航天器帶來災 難性的破壞。垃圾防護層是必須配備的。 心理 對星際旅行來說，宇航員需花費畢生的時間達到目的地，而且沒有 歸程。有誰愿意充當這樣的敢死隊員呢？即使有，派孩子、派成年 人，甚至派多少人執行任務，都會是問題。 更難的是，如果人與人之間產生矛盾怎么辦？從目前經驗來說，星 際旅行的宇航員心理極容易出現問題。星際旅行的艱險和困難可想 而知。但正如埃及人建造金字塔、哥倫布發現新大陸，這樣的奇跡 總會實現。弗里斯比說：“只要想到，人類就能做出讓人驚奇的事 。”星際旅行將成為人類歷史上最昂貴的計划，也會是最不平凡的 事業。 郭可