离星际旅行更近了一步,石墨烯光帆在微重力试验中获得成功

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如果我们想去星空旅行,我们必须要有创造力。传统火箭的威力还不足以让我们在合理的时间内穿越光年,即使是核火箭也可能不行。那么人类该怎么做呢?答案可能是光帆。

任何太空旅行的挑战都要归结于速度增量,也就是说,相对于地球的速度,你能改变多少速度。为了得到速度增量,你需要有某种推力。火箭是获得速度增量的好方法,但他们有一个很大的缺点。火箭燃料需要随身携带,这意味着你想跑得越快,你需要携带的燃料就越多。换句话说,速度增量越大,质量与有效载荷的比值就越大。

离星际旅行更近了一步,石墨烯光帆在微重力试验中获得成功-第1张图片-IT新视野

但你可以用一个有效的火箭来降低这个比率,我们的许多太空探测器都采用了一些技巧,比如航天器的近天体探测飞行的机动。但这些都不能让你达到光速的一小部分,而这正是星际飞船所需要的速度。所以,如果问题是你需要携带燃料,为什么不彻底摆脱对燃料的需求呢?

这就是光帆发挥作用的地方。光帆不是通过从火箭喷嘴中喷出热气来产生推力,而是反射太阳光或来自强大激光的光。光的光子没有任何质量,但它们有动量。当光子撞击一个表面时,它会给这个表面一个微小的推动。这种情况在地球上一直存在,但我们从来没有注意到,因为它的推力非常小。

但是我们知道这个想法是可行的。2015年,以及2019年,行星协会再次推出了作为概念证明的测试光帆。他们表明太阳光可以用来提高一颗小卫星的轨道。但是,要使光帆成为现实,还有很长的路要走。

要想从光线中得到有力的推动,光帆必须是巨大的。即使是小型航天器,光帆直径也约为千米。使用反光聚酯薄膜等材料,帆的质量会非常大,因此所获得的大部分推力都会浪费在帆上。我们需要的是一种非常轻的材料,它的强度仍然足以胜任这项工作。幸运的是,我们找到了这种材料。

离星际旅行更近了一步,石墨烯光帆在微重力试验中获得成功-第2张图片-IT新视野

研究小组研究了我们可以使用的最轻的材料之一:石墨烯。石墨烯是一个六边形的碳原子片,它非常强大,可以形成一个只有一个原子厚的光帆。现在,我们只能制造一小块石墨烯,所以研究小组建造了一个直径只有3毫米、质量不到四分之一克的微型光帆。然后,研究小组将他们的小帆放在一个微重力室中,用功率从0.1w到1w的激光照射它。结果显示,帆的加速度比仅仅通过散热所能获得的加速度大十倍。

光帆确实起作用了。这项研究很好地证明了石墨烯帆可以捕捉光的推动。下一个更大的挑战是扩大石墨烯帆的尺寸。目前,已经制造出了更大尺寸的石墨烯薄片,但是规模还不到一公里。星际旅行还有很长的路要走,但我们现在知道在隧道的尽头可能有光。

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