太阳帆技术将助力人类的深空探索
在广阔的太空中,太阳帆可以像帆船利用风能那样利用太阳能。而一项新研究表明,这种技术有望成为探测太阳系中两颗冰冻卫星(木卫二和土卫二)生命踪迹的解决方案,且成本完全可控。
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能够帮助人类探索太空的太阳帆技术(图片来自网络)
玛纳斯维•林加姆是佛罗里达理工学院的天体生物学家,他为本文的采访者做了这方面技术的介绍:
传统的火箭需要携带大量燃料产生推力,而太阳帆只需要利用阳光产生的推力在太空中巡航。这是因为当光子轰击到太阳帆表面时,会赋予其动力。因此,阳光的作用就像风一样。
光子产生的推力虽然微弱,但却是持续不断的,这意味着它们可以将太阳帆探测器加速到传统火箭无法达到的速度。而传统火箭由于需要携带推进剂,其速度反而受到限制,并且会导致飞行器尺寸的增加。太阳帆依赖阳光来获得动力,因此它们无需携带燃料。
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当前各种传统火箭由于需要携带大量燃料,这导致其最大速度受限(图片来自网络)
由于太阳帆依赖于阳光,因此它们的使用场景也会局限在太阳系内部那些阳光充足的地方。但是至少在理论上,如果在地球上或者拉格朗日点(在这个位置的设备可以保持位置的相对稳定)部署一系列微型激光器,则可以为太阳帆提供额外的动能,将其推离太阳系。
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激光推动的太阳帆示意图(图片来自网络)
按照林加姆团队的研究,估计一个100千克的太阳帆可以在1-3年内到达“木卫二”,或者在3-6年的时间内到达“土卫二”。
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美国国家航空与航天局发射的朱诺号木星探测器在9月29日靠近木星二时,对这颗卫星的拍摄照片。拍摄时,探测器距离木卫二表面约1500公里。
为什么科学家特别关注两颗卫星?因为它们都被认为在冰覆盖的外表下,存在一个盐质的海洋。这使得它们成为太阳系内搜索生命的诱人目标。其中,土卫二的南极地区间歇性喷水现象已经为人所知,木卫二上面也发现了存在蒸汽水柱的迹象。
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科学家们确认木卫二存在水柱蒸汽(示意图,来自网络)
如果能够对这种柱状蒸汽进行取样,也许会发现其中包含构成生命的氨基酸等分子,这可以让科学家们了解到这两颗卫星的海洋成分构成。这样,探测器就无需降落在冰面上进行钻洞取样。
但还存在一个问题:当飞过这些蒸汽柱时,探测器的相对速度可能会导致微粒高速碰撞检测仪器,意味着分子的结构会被破坏,导致生命信号判断的失败。根据林加姆和他的团队2月28日在宇航学报上面发表的论文,为了避免这个问题,太阳帆必须将速度降低到最低,以每秒6公里的相对速度飞过。
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光帆2所用的太阳帆(图片来自网络)
这种特殊的太空技术并非第一次出现。比如2019年被发射到地球轨道的众筹项目“光帆2”。这是一个鞋盒大小的太空飞船,由非盈利组织“行星协会”控制。到2022年11月的三年时间中,光帆2已经绕行18000圈,走了800万公里,其比最初设计的寿命长了3倍,向人们展现了太阳帆技术的可行性。
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日本于2010年发射的伊卡洛斯太阳帆利用阳光进行深空旅行的图片(来自日本宇航探索局)
此外,太阳帆也在远离地球的地方得到过应用:远在2010年,日本的伊卡洛斯探测器就为人们展现了深空之中太阳帆技术的应用。
部分科学家甚至认为太阳帆技术可以帮助人类完成星际旅行任务。比如2016年公布的耗资100万美元的“突破摄星计划”,这个计划准备建立大量微型晶片大小的轻量级飞船,并将它们发射到半人马座的阿尔法星(一颗距离地球最近的恒星系统)。其由激光束推动,最终将会加速至20%光速,因此这些光帆仅需要20年即可到达阿尔法星,在我们有生之年内即可实现。
林加姆表示:我们使用传统的火箭技术探索太阳系已经有65年之久,使用化学推进剂的方式终将达到一个瓶颈。而太阳帆技术将开启太空探索的新时代,尤其适合探索那些“最有希望成为生命栖息地”的地方。
BY:Sharmila Kuthunur
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