一项新的研究发现，由碳泡沫气泡制成的宇宙飞船可以在185年内仅靠太阳能从地球飞到 半人马座阿尔法星。
科学家补充说，如果这颗假设的行星存在，那么这些探测器群可能有助于发现和研究我们太阳系神秘的 第九行星。
目前，由化学反应驱动的传统火箭是太空推进的主要形式。然而，它们的效率还远远不足以在人类的生命周期内到达另一颗恒星。
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例如，半人马座阿尔法星是离地球最近的恒星系统，距离地球约 4.37 光年，超过 25.6 万亿英里（41.2 万亿公里），约为地球到太阳距离的 276,000 倍。如果“旅行者1号”探测器朝正确的方向前进（但事实并非如此），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，则大约需要 75,000 年才能到达半人马座阿尔法星。
所有传统宇宙飞船推进器的共同问题是它们使用的推进剂具有质量。长途旅行需要大量推进剂，这使得宇宙飞船变得沉重，反过来又需要更多的推进剂，使其更重，以此类推。宇宙飞船越大，这个问题就呈指数级恶化。
因此，之前的研究表明，“光帆”可能是人类在有生之年将探测器送往另一颗恒星的唯一技术上可行的方法之一。尽管光不会产生太大的压力，但科学家们已经确定，它所施加的微小压力可能会产生重大影响。事实上，许多实验表明，“太阳帆”可以依靠阳光进行推进，前提是有足够大的镜子和足够轻的宇宙飞船。
2016 年宣布的耗资 1 亿美元的 突破摄星计划旨在向半人马座阿尔法星发射成群的微芯片大小的宇宙飞船，每艘飞船都配备极其薄、反射率极高的帆。该计划让这些“星芯片”以高达光速 20% 的速度飞行，大约 20 年即可到达半人马座阿尔法星。
摄星计划的一个缺点是它需要有史以来最强大的激光阵列来推动星芯片向外飞行。不仅建造这个阵列的技术目前不存在，而且该项目的估计总成本可能达到 50 亿到 100 亿美元。
在这项新的研究中，天体物理学家建议，一种更便宜的选择可能是使用碳泡沫制成的气泡。研究人员发现，由这种材料制成的探测器可以在没有巨型激光阵列的情况下，仅靠太阳光就能比任何火箭更快地进行 星际旅行。
为了开发一种利用阳光推动光帆达到有用的星际速度的方法，研究人员分析了先前寻找坚固轻质材料的科学研究。他们最终选择了气石墨，一种比铝轻 15,000 倍的碳基泡沫。
科学家们计算出，直径约 3.3 英尺（1 米）、外壳厚度为 1 微米（约为人类头发平均宽度的 1%）的空心气石墨球体重量仅为百万分之五磅（2.3 毫克）。
气石墨样品，一种超高速太阳帆宇宙飞船的候选建造材料。（图片来源：R. Heller）
如果将这样一个携带 0.035 盎司（1 克）有效载荷的球体从距离太阳约一个天文单位 (AU) 的地方释放，阳光会将其推至高达约 114,000 英里/小时（183,600 公里/小时）的速度——是“旅行者 1 号”的三倍。这样一个球体大约需要 3.9 年才能到达 冥王星的轨道。（一个天文单位是地球到太阳的平均距离，约为 9300 万英里，即 1.5 亿公里。）
如果这样一个球体从距离太阳约 0.04 天文单位的地方释放——这是美国宇航局的 帕克太阳探测器离我们恒星最近的距离——那里的阳光会更强烈，会将宇宙飞船加速到接近 1540 万英里/小时（2480 万公里/小时）。研究人员说，它可以 在 185 年内 走完地球和距离我们太阳系最近的恒星比邻星之间 4.2 光年的距离。球体越大，速度越快，或者可以携带的有效载荷越多。（比邻星是半人马座阿尔法星系统中的三颗恒星之一。）
“我对我们研究结果感到惊讶的是，恒星的功率输出（在我们的例子中是太阳）可以用来推动星际探测器到达最近的恒星，而无需额外的机载动力源，”该研究的主要作者、德国哥廷根马克斯·普朗克太阳系研究所的天体物理学家 René Heller 告诉 Space.com。
“我们不需要耗资数十亿美元的地面激光阵列来照射太空中的帆，”Heller 说。“相反，我们可以使用绿色能源，可以这么说。”
研究人员指出，几克电子设备或其他有效载荷对于一项任务来说并不多。不过，他们认为这些飞船的有效载荷将是飞船质量的 10 倍，而化学星际火箭的有效载荷通常是火箭重量的千分之一。
研究人员建议，这些宇宙飞船可能携带一个仅重千分之二磅（1 克）的 32 瓦激光器。Heller 说，分析来自这种激光束的任何扰动可能有助于研究人员探测引力效应，这反过来可能有助于揭示原本太暗太冷而无法发现的世界的存在，例如假设的 第九行星。
科学家们估计，开发一个气泡飞船原型可能需要 100 万美元。他们计算出，每艘泡沫飞船的建造费用可能约为 1,000 美元或更少，而发射火箭来部署和测试这些飞船可能需要 1000 万美元。
目前这项工作最大的问题是“没有人建造过大于几厘米的气石墨结构，而我们需要几米大小的结构，”Heller 说。不过，研究人员与实验人员保持联系，他们认为原则上可以制造出如此大的结构，他指出。
关于这个概念的另一个需要注意的问题是，目前还没有办法控制球体一旦部署后的轨迹。“为了到达某个目标，这需要纠正，”Heller 说。
Heller 说，如果机载电子设备和设备能够实现主动机动，“那么在几周内将少量质量——1 到 100 克——在地球和火星之间运输是可能的。”
科学家们设想用传统火箭将气泡飞船送入太空，然后部署它们以利用阳光推进。这些气泡在运输过程中能完好无损地存活下来还有待确定。
“气石墨的一个优点是它的可压缩性，”Heller 说。“即使经过极端压缩，气石墨样品也可以重新膨胀到初始状态。因此，如果我们在实验室中压缩一个米尺寸的气石墨帆，也许我们可以将其运送到太空并在发射前在那里重新膨胀。问题是，它的机载电子设备会发生什么？”
科学家们现在正在进行实验，以测试气石墨吸收和反射光的能力。他们在 7 月 7 日在线发表在《天文学与天体物理学》杂志上的 研究结果中详细介绍了他们的发现。
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