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如何在深空中为航天器提供动力？ 美国宇航局的“旅行者1号”于三十年前发射，目前距离地球约100亿英里（160亿公里），它利用发射时的惯性以及它经过的行星的引力场，以每秒10.6英里（17.1公里）的速度向太阳系的边缘加速。不幸的是，“旅行者1号”花费了如此长的时间才到达目前的位置，以至于到2025年，该探测器将耗尽其放射性同位素温差发电机（RTG）提供的所有能量（该发电机将衰变的放射性材料（如钚）的热量转化为电能），并且将不再有足够的能量来运行其科学仪器或在它进入星际空间时向美国宇航局发送消息。任何希望走得更远的飞行任务都需要一种加速手段，该手段可以在航天器耗尽放射性动力源之前，使其更快地到达已探索空间的边缘。
许多人认为答案在于使用太空帆，利用太阳的能量，使航天器在逃离地球大气层并到达深空后继续加速。在超出太阳的影响范围后，航天器将获得比“旅行者1号”更快的巡航速度，并且可以通过惯性保持该速度，同时其RTG和/或其他发电机仍有充足的寿命为其仪器供电并与地球进行无线电通信，从而使其在未来数十年内继续执行任务。美国宇航局正准备在今年夏天测试一种新的太空帆，该帆利用阳光来提供这种加速，而芬兰气象研究所的一位科学家正在改进一种不同类型的太空帆的设计，该太空帆将使航天器以接近“旅行者1号”两倍（每秒18.6英里，即30公里）的速度在太阳风中冲浪，太阳风是太阳发出的带电粒子的连续流。
太空帆的概念可以追溯到16世纪，当时德国天文学家约翰内斯·开普勒首次提出了利用太阳能量推动物体在太空中的想法。如今，太空帆主要有三种类型：太阳帆（美国宇航局计划测试的帆）、电力帆（正在芬兰开发）和磁力帆（20世纪80年代流行的一种概念，但从未真正实现）。
美国宇航局在阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心和加利福尼亚州莫菲特菲尔德的艾姆斯研究中心的科学家计划在一周内测试他们的太阳帆，该帆将搭乘由加利福尼亚州霍桑的太空探索技术公司（SpaceX）开发的猎鹰1号火箭进入太空。美国宇航局表示，在其为期两周的任务中，重10磅（4.5千克）的NanoSail-D太阳帆将是第一个在太空中完全展开的帆，也是第一个将阳光作为飞行或轨道机动主要手段的帆。这个风筝形帆由铝和塑料制成，展开后具有约100平方英尺（9.3平方米）的采光表面。美国宇航局已花费超过230万美元来开发其NanoSail-D技术。
在未来三年内，NanoSail-D可能会被另一个太阳帆所取代，该帆由加利福尼亚州帕萨迪纳的非营利性太空倡导组织行星协会建造。该小组正在为Cosmos 2设计电子设备、太阳能电池阵列和太阳帆电机，他们希望使用俄罗斯的联盟-弗雷加特助推火箭将其发射升空，这类似于将宇航员、航天员和游客送往国际空间站的技术。Cosmos 1太阳帆于2005年被送入太空（经过五年的开发和2001年发射失败后），搭乘俄罗斯的Volna火箭。然而，潜艇发射的Volna火箭发生故障，从未进入轨道，因此该帆没有机会展开并演示太阳帆的推进力。
行星协会执行主任路易斯·弗里德曼表示，必须发射这些帆进行测试，因为地球大气层中没有太阳风。俄罗斯和日本已经测试了与太空帆类似的技术，但由于这些测试是在俄罗斯和平号空间站（已不在轨道）附近或在亚轨道飞行中进行的，“它们不是真正的太阳帆，”他说。
与此同时，芬兰赫尔辛基的芬兰气象研究所的学院研究员佩卡·扬胡宁正在开发一种电力太空帆，该帆使用太阳风作为其推力来源，并且不需要燃料或推进剂。他说，该帆将由多达100根铝或铜合金线组成——每根线大约长12.4英里（20公里），直径为20微米（一微米约等于十万分之四英寸）——这些线连接到可以调节线长度的卷轴上。每根线将通过连接到帆上的太阳能电子枪充电至20千伏。导线发出的电荷将与太阳风的等离子体发生反应，从而产生动量。扬胡宁说，使用电力帆的440磅（200千克）的航天器不到五年即可在地球和矮行星冥王星之间旅行。
他说，现在估计建造电力帆的成本还为时过早，但他指出，建造和飞行连接到电力太空帆的航天器最多可便宜四倍，因为它比传统航天器更轻，并且只需要足够的燃料将其发射出地球大气层。一旦进入太空，增加推力可以通过在帆上添加更多导线或使导线更长来实现。
扬胡宁的工作正在从绘图板转向实验室，他希望在三年内建造一个原型，他可以在地球大气层外飞行该原型，以测试电力帆产生的推力。如果他的理论被证明是正确的（并且他可以使用长而带电的导线来利用太阳风），那么他及其同事还需要几年时间才能建造出将导线安装成帆状并测试该结构推动某种航天器的能力所需的设备。
磁力太空帆也将依靠太阳风来获取动量。位于科罗拉多州莱克伍德的航空航天研发公司先锋宇航公司的创始人兼总裁罗伯特·祖布林和火星学会主席，以及位于华盛顿州西雅图的安德鲁斯航天公司的首席技术官达纳·安德鲁斯在20世纪80年代构想了磁力帆，以改进太阳帆的设计。它不依赖阳光，而是利用太阳风的等离子体（以每秒310英里，即500公里的速度行进）作为其推进手段。
祖布林和安德鲁斯利用等离子体被磁场偏转这一事实，提出在航天器周围放置一个像气泡一样的磁场，并让太阳风推动航天器。然而，有一个小问题：创造磁场所需的超导线尚未开发出来。（该项目曾短暂地从美国宇航局高级概念研究所获得了一些资金，但该组织于去年关闭。）“磁帆是一种等待技术的概念，”祖布林说。
欧洲航天局研究了在载人火星之旅中使用磁力帆的概念，但最终得出了与祖布林相同的结论。
当然，一旦这些帆超出太阳范围，它们就无效了。当任何航天器到达距离太阳约370亿英里（600亿公里）时，“太阳风变得非常稀薄，然后停止，”扬胡宁说。在那时，他设想将其电力太空帆从航天器上抛出，以便其动量将其飞出太阳系，利用机载核能（类似于“旅行者1号”）为其系统供电。
建造成功的太空帆的回报将是在无需推进剂的情况下无限增加航天器的速度。“这将使你以惊人的速度行进巨大的距离，”行星协会的弗里德曼说。“这是我们所知道的唯一一项有一天可以带我们前往星际的技术。”
*更正（08/01/08）：本文最初将成本确定为3000万美元。