美國宇航局選擇了一個(gè)瘋狂的計(jì)劃，用數(shù)千個(gè)微小的探測器“蜂擁而至”比鄰星

幾代人以來，人類一直夢想著前往其他恒星系統(tǒng)并踏上外星世界。委婉地說，星際探索是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。

正如《今日宇宙》在以前的文章，航天器需要19,000到81,000年才能使用常規(guī)推進(jìn)（或使用當(dāng)前技術(shù)可行的推進(jìn)）到達(dá)比鄰星。最重要的是，在星際介質(zhì)（ISM）中旅行時(shí)存在許多風(fēng)險(xiǎn)，但并非所有風(fēng)險(xiǎn)都得到了很好的理解。

在這種情況下，依靠定向能量推進(jìn)（AKA激光）的克級航天器似乎是本世紀(jì)到達(dá)鄰近恒星的唯一可行選擇。

建議的概念包括蜂擁而至的比鄰星，兩者之間的協(xié)作努力太空倡議公司和星際研究倡議（i4is）由太空計(jì)劃首席科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)馬歇爾·尤班克斯.該概念最近被選為第一階段開發(fā)作為今年的一部分美國宇航局創(chuàng)新先進(jìn)概念（NIAC）計(jì)劃。

根據(jù)尤班克斯的說法，穿越星際空間是一個(gè)距離、能量和速度的問題。在距離太陽系4.25光年（40萬億公里;25萬億英里）的地方，即使是比鄰星也遠(yuǎn)得不可思議。

從這個(gè)角度來看，航天器有史以來最遠(yuǎn)距離的記錄是旅行者1號太空探測器，目前距離地球超過240億公里（150億英里）。使用傳統(tǒng)方法，探測器的最高速度為61,500公里/小時(shí)（38,215英里/小時(shí)），并且已經(jīng)連續(xù)行駛了46年以上。

簡而言之，以低于相對論速度（光速的一小部分）的速度旅行將使星際凌日變得非常漫長且完全不切實(shí)際?？紤]到這需要的能量需求，除了最大質(zhì)量為幾克的小型航天器之外，其他任何東西都是可行的。正如尤班克斯通過電子郵件告訴《今日宇宙》的那樣：

“當(dāng)然，火箭是一種常見的快速方式?；鸺墓ぷ髟硎菍ⅰ皷|西”（通常是熱氣體）從后面扔出去，東西向后移動(dòng)的動(dòng)量等于車輛向前方向的速度增加的動(dòng)量?；鸺谋举|(zhì)是，只有當(dāng)東西向后移動(dòng)的速度與你想要獲得的速度相當(dāng)時(shí)，它才真正有效。如果不是，如果它非常小，你就無法攜帶足夠的東西來獲得你想要的速度。

“問題在于，我們沒有技術(shù) - 沒有能源 - 使我們能夠以60,000公里/秒的速度拋出很多東西，因此火箭將無法工作。反物質(zhì)可以想象，這可能使這一點(diǎn)成為可能，但我們只是對反物質(zhì)的了解不夠好 - 并且無法使它成為解決方案，可能在未來幾十年內(nèi)。

相比之下，像Breakthrough Starshot和Proxima Swarm這樣的概念包括“反轉(zhuǎn)火箭”——也就是說，不是扔?xùn)|西，而是向航天器扔?xùn)|西。光帆的能量來源不是構(gòu)成大多數(shù)傳統(tǒng)火箭的重型推進(jìn)劑，而是照片（沒有質(zhì)量并以光速移動(dòng)）。

但正如尤班克斯所指出的那樣，這并不能克服能源問題，這使得航天器盡可能小變得更加重要。

“因此，從激光帆上反射光子解決了速度問題，”他說。

“但問題是，光子中沒有太多的動(dòng)量，所以我們需要一個(gè)很多其中。考慮到我們可能擁有的功率，即使從現(xiàn)在起幾十年后，推力也會(huì)很弱，所以探測器的質(zhì)量需要非常小——克，而不是噸。

他們的提議要求一個(gè)100吉瓦（GW）的激光束器，用激光帆將數(shù)千個(gè)克級太空探測器提升到相對論速度（~10-20%的光）。他們還提出了一系列面積為平方公里（0.386 英里）的地面光桶²）的直徑，以便在探測器到達(dá)比鄰星的途中捕捉到來自探測器的光信號（通信變得更加困難）。

根據(jù)他們的估計(jì)，這個(gè)任務(wù)概念可能在本世紀(jì)中葉左右準(zhǔn)備好開發(fā)，并可能到達(dá)比鄰星及其類似地球的系外行星（比鄰星 b）到本世紀(jì)第三季度（2075年或之后）。

在一個(gè)以前的論文，尤班克斯和他的同事們展示了一支由一千艘航天器組成的艦隊(duì)如何克服星際旅行帶來的困難，并通過群體動(dòng)力學(xué)保持與地球的通信。

“通過將收集區(qū)域提高到可行的 1 公里²并且讓許多探頭協(xié)調(diào)它們的發(fā)送，我們可以獲得合理的（如果更小）比特率，“他補(bǔ)充道。

然而，星際距離和廣義相對論使得無法從地球遠(yuǎn)程控制探測器。

因此，在導(dǎo)航（協(xié)調(diào)一千個(gè)探測器）和決定將哪些數(shù)據(jù)返回地球時(shí)，蜂群必須具有非凡的自主性。雖然這些策略解決了距離、能量和速度問題（至少目前是這樣），但仍然存在創(chuàng)建群體和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的成本問題。

最大的一筆開支將是激光陣列本身，而克級飛行器的生產(chǎn)成本相當(dāng)?shù)?。正如尤班克斯告訴《今日宇宙》的那樣以前的文章，他們的提案可以在1000億美元的預(yù)算下制定。

但正如尤班克斯（當(dāng)時(shí)和現(xiàn)在）所強(qiáng)調(diào)的那樣，他們所設(shè)想的任務(wù)架構(gòu)的好處是巨大的，向比鄰星發(fā)送大量探測器的回報(bào)將是天文數(shù)字：

“一個(gè)簡單的事實(shí)是，激光推進(jìn)的星際任務(wù)的成本，使用輕型探測器和巨大的激光系統(tǒng)將它們推向恒星，將由資本成本主導(dǎo) - 激光系統(tǒng)的成本。

“相比之下，探針本身將非常便宜。所以，如果你能發(fā)送一個(gè)，你應(yīng)該發(fā)送很多。顯然，發(fā)送大量探測器會(huì)帶來冗余的優(yōu)勢。

“太空旅行是有風(fēng)險(xiǎn)的，星際旅行可能特別危險(xiǎn)，所以如果我們發(fā)送大量探測器，我們可以容忍高損失率。但我們可以做得更多。

“我們想尋找生物學(xué)甚至技術(shù)的跡象，因此最好讓探測器離地球很近，以獲得表面和大氣的良好照片和光譜。

“對于一個(gè)探測器來說，這將是艱難的，因?yàn)槲覀儾惶宄磥?4年地球會(huì)在哪里。通過發(fā)送一堆探測器，至少應(yīng)該有一些探測器靠近地球，為我們提供我們想要的特寫視圖。

除此之外，尤班克斯和他的同事們希望，開發(fā)一個(gè)連貫的機(jī)器人探測器群將在離家更近的地方得到應(yīng)用。群體機(jī)器人是當(dāng)今的一個(gè)熱門研究領(lǐng)域，并且正在研究作為一種可能的手段探索歐羅巴的內(nèi)海,在火星上挖掘地下城市,裝配太空中的大型結(jié)構(gòu)，并提供從地球軌道跟蹤極端天氣。

除了太空探索和地球觀測，群體機(jī)器人技術(shù)還可用于藥、增材制造、環(huán)境研究,全球定位和導(dǎo)航,搜救等等。

雖然星際任務(wù)可能需要幾十年的時(shí)間才能準(zhǔn)備好前往半人馬座阿爾法星，但尤班克斯和他的同事們很榮幸也很興奮能成為美國宇航局 2024 年 NIAC 計(jì)劃的入選者之一。對他們來說，這項(xiàng)研究花了很多年時(shí)間，但比以往任何時(shí)候都更接近實(shí)現(xiàn)。

“已經(jīng)有很長一段時(shí)間了——將近十年了——我們很榮幸被選中，”尤班克斯說?！艾F(xiàn)在真正的工作開始了。”

本文最初由今日宇宙.閱讀原文。

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