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一项新的研究发现，如果在超薄、高反射率的风帆科学方面取得突破，巨型激光器可能确实可以将宇宙飞船舰队发射到半人马座阿尔法星，这种风帆可以捕捉到激光的光。
耗资 1 亿美元的“突破摄星”计划于 2016 年宣布，计划使用强大的激光器将成群的微型宇宙飞船发射到离我们最近的恒星系统半人马座阿尔法星。虽然使用激光炮进行宇宙飞船推进听起来像科幻小说，但之前的研究表明，“光帆航行”可能是人类一生中将探测器送往另一颗恒星的唯一技术上可行的方法之一。
虽然半人马座阿尔法星是离地球最近的恒星系统，但它仍然位于大约 4.37 光年之外。这相当于超过 25.6 万亿英里（41.2 万亿公里），或超过地球到太阳距离的 276,000 倍。[突破摄星计划的星际任务图片]
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传统的火箭效率远不足以在人类一生中覆盖到半人马座阿尔法星的巨大距离。例如，美国宇航局的旅行者 1 号宇宙飞船——于 1977 年发射，并于 2012 年进入星际空间——大约需要 75,000 年才能到达半人马座阿尔法星（如果探测器朝着正确的方向前进，但实际上并非如此）。
目前宇宙飞船用于推进的所有推进器的共同问题是，它们携带的推进剂具有质量。长途旅行需要大量的推进剂，这使得推进器变得沉重，反过来又需要更多的推进剂，使其更重，依此类推。而且，宇宙飞船越大，这个问题就呈指数级恶化。“摄星计划”提出，宇宙飞船不携带推进剂进行推进，而是配备类似镜子的风帆，并依靠激光来推动这些探测器向外飞行。
“这是一个非常大胆的目标，”研究的主要作者、加州理工学院帕萨迪纳分校的材料科学家和应用物理学家哈里·阿特沃特告诉 Space.com。
虽然光不会施加太大的压力，但之前的工作表明，阳光可以用于太空飞行。日本的 IKAROS（行星际风筝式飞船太阳辐射加速器）任务于 2010 年发射，是第一个成功在行星际空间演示太阳帆技术的宇宙飞船，达到了约 895 英里/小时（1,440 公里/小时）的最高速度。
“摄星计划”旨在利用地球上的激光阵列（功率高达 100 吉瓦）将微芯片大小的宇宙飞船发射到半人马座阿尔法星。“这将是迄今为止人类建造的最大的激光器，”阿特沃特说。
“星芯片”将以高达光速 20% 的速度飞行，并在大约 20 年内到达半人马座阿尔法星，每个芯片都使用 1 瓦的激光器及其风帆与地球通信。“摄星计划”的目标是每年发射多达数万个星芯片。因此，希望即使许多芯片失败，其他许多芯片也能到达遥远的星系——并可能近距离观察比邻星 b，这是一颗可能适宜居住的行星，围绕该星系的三颗恒星之一运行。
根据新的研究，每个星芯片的风帆设计尺寸约为 108 平方英尺（10 平方米），质量小于 1 克，这意味着它应该只有大约 100 个原子厚。该研究于今天（5 月 7 日）在线发表在《自然·材料》杂志上。研究人员指出，制造一种具有反射性、轻便且足够坚固的风帆，以完成前往半人马座阿尔法星的旅程，这是一项挑战，它突破了现有科学的界限。
“我们为研究人员进一步朝着这个星际目标迈进提供了初步路线图，”阿特沃特说。[图库：未来星际飞船旅行的愿景]
“摄星计划”激光阵列可能会发射特定波长的近红外光束，地球大气层对这些光束是透明的。“摄星计划”的风帆不仅需要反射这些波长，而且最好只吸收极少量的能量，以免在被“摄星计划”极其强烈的激光击中时升温并被摧毁。此外，风帆必须足够轻薄，才能被激光尽可能强烈地推动。
此外，就像救护车警报器在车辆驶向您时听起来音调较高，而在车辆驶离时音调较低一样，随着风帆离激光器越来越远，它们接收到的光线会发生红移，这个过程称为多普勒频移。研究人员解释说，理想情况下，风帆还应该反射这些更红的波长，以便从激光束中获得尽可能多的推进力。
科学家们发现，没有已知的材料具有完美结合的特性来充当“摄星计划”的风帆。例如，虽然金和银等金属是近红外光的优良反射器，但它们会从“摄星计划”的激光器中吸收过多的能量而无法生存。
不过，许多材料至少具有一些所需的特性，这表明它们可以充当“摄星计划”的风帆。这些材料包括晶体硅和二硫化钼。
在寻找一种尽可能多地反射光线同时保持低质量的风帆方面，科学家们建议使用带有六边形孔格的风帆来减轻重量。研究人员还指出，控制风帆的微观结构——例如使用纳米（十亿分之一米）厚的交替材料层——可以提高其反射率并降低其吸收率。
在“星芯片”将要行驶的极高速度下，即使是微小的撞击也可能摧毁这些探测器。不过，之前的工作表明，氢气和氦气分子可能会穿过风帆，而不会产生这种影响。此外，虽然之前的研究表明，每个风帆在前往半人马座阿尔法星的途中可能会遇到大约十亿个尘埃颗粒，但这种撞击可能会穿孔，造成的孔洞面积不到总风帆面积的 0.1%。
未来的挑战包括探索各种材料在受到强大激光和极高加速度时的性能。此外，研究人员必须研究如何制造和处理大片极薄的薄膜，以及如何将这些精密的组件组装成风帆，研究人员说。
“肯定会存在制造方面的挑战，但没有什么超出可能范围，”阿特沃特说。“这些都是真实的材料，而不是‘难得素’。”
此外，进一步的研究应探索风帆的形状和激光束在风帆上的足迹如何有助于提高其在太空中的飞行稳定性。例如，科学家们可能会研究球形风帆和甜甜圈形状的光束。
“如果你想想吹叶机，它可以有效地将叶子吹走，直到它被吹出气流，此时它会不稳定地移动，”阿特沃特说。“推动这些风帆的光压也面临着同样的问题。我们必须以某种方式设计风帆和阵列，以便风帆可以稳定地在光束上运行。”
“我们面临着令人兴奋的问题，”阿特沃特补充道。“但我们认为存在解决方案。”
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