如果找到一個新“地球” 人類能實現星際旅行嗎

天文學家們相信，人類終能在地球鄰近的星系中找到一個新的“地球”。如果有一天，這個目標實現了，人類又怎么能在有限的生命里，飛到距地球光年距離的目的地呢?《發現》雜志撰文介紹了科學家在星際旅行方面的最新進展。

美國宇航局計劃10年后發射一個天文望遠鏡，名為“地球行星探測器”，在太陽系尋找一個新大陸。預測認為，觀察大約150個鄰近星系可能會找到一個類似地球的小型行星。

如果找到了新的“地球”，會出現什么樣的情況呢?然而，要到新“地球”探險的難度可比到火星的難度多得多了。人們在黑夜中能看到的最亮的也是離地球最近的半人馬座阿爾法恒星，其中可能存在類似地球的行星，但它離地球卻有4.4光年之遙，比目前任何太空探測器所飛行的最長距離還要多3000倍。巨蟹55恒星中有3顆行星，它們組成了一個與太陽系類似的系統，但離地球卻達到41光年遠，比前者的距離還要多10倍。因此，要飛到一個能給人類居住的新“地球”，需要超快的航天器，它要比今年所有的航天器都要先進得多。

但美國宇航局噴氣推進實驗室的羅伯特·弗里斯比認為，這樣的航天器從理論上說是可以制造的。目前，弗里斯正在研究5種可能使宇航員飛到半人馬座阿爾法恒星只需要花費不到50年時間的推進技術。

原子火箭

俄羅斯物理學家齊奧爾科夫斯基發現，星際旅行最大障礙是：火箭的最大速率一般只有其發動機的噴氣速率的兩倍左右，發動機的噴氣速率只能達到4.4公里/秒，因此單級火箭能達到的最大速率不到9公里/秒。以此速率，到達半人馬座阿爾法恒星，將需要12萬年。如果讓一個宇航員花40年抵達目的地，火箭速率需要提高3000倍。如何才能達到這么快的速率，弗里斯比建議，使用核裂變、核聚變和反物質作為推進劑。

核裂變火箭

科學家制造了原子彈和核反應堆。當原子裂變時，所產生的“分裂碎片”速率達到光速的3%，即約每秒9000公里。美國人設計了一種概念型的“分裂碎片”反應堆，可以控制這些高速粒子，使火箭的速率能提高到約每秒1.8萬公里，約光速的6%。

弗里斯比提議，把兩個核裂變火箭疊加組成二級核裂變火箭，使其飛行速率達到光速的12%。再加上兩極減速火箭，人類只需要大約50年的時間就能進入半人馬座阿爾法恒星。為了使重量減少至最小，核裂變火箭應該使用能快速衰變的镅這樣的燃料。镅并非自然界中存在的放射性元素，而是用人工核反應制造。據估算，飛到最近的恒星需要大約200噸镅，此外還要相當重量的輻射防護材料，使用核裂變火箭進行星際旅行變得不切實際。

核聚變火箭

與核裂變相反，核聚變是把原子結合在一起，從而獲得能量。聚變反應堆能減少不必要的一些輻射，也容易獲得燃料氘和氚，因為氘和氚在月球的表面和木星的大氣中大量存在。在到另一個恒星的星際旅行之前，核聚變火箭完全可在太陽系內找一個地方補充燃料。

然而，科學家至今仍沒有建造出一個可工作的核聚變反應堆。人們已經知道利用核聚變反應制造了氫彈，但卻沒有掌握該反應產生的能量控制技術。不過，一旦科學家掌握了核聚變技術，他們將能控制聚變反應產生的帶電粒子，并讓它們從一個磁場噴口噴出。這一過程能被應用于二級火箭，使其速率達到光速的12%。

反物質火箭

有一種方法可以以近100%的效率將物質轉化為能量，也就是把物質與其鏡像反物質相結合。物理學家已經制造了少量的反物質，歐洲核子研究中心最近就制造出了1百萬個反氫原子。對星系旅行火箭來說，反物質將是重要的燃料。然而，想要獲得星際旅行火箭所需要的大量反物質，是極其困難的事。

在反物質火箭中，等量的反氫原子和氫原子在燃燒室中混合，如果重量都是半磅(1磅約為453.592克)，兩者結合湮滅時所產生能量將比10兆噸氫彈釋放的能量還要大。采用與核裂變火箭類似的方法，用磁場把這些粒子束縛起來，能使其噴射速率達到光速的三分之一，使火箭的最高速率達到光速的66%。“這是迄今人類所能制造的最強功能的火箭。”

二級反物質火箭飛到半人馬座阿爾法恒星花費大概41年，需要大約90萬噸燃料。在更遠距離的星際旅行中，四級(兩級加速，兩級減速)反物質火箭將更能顯示出自己的優勢。據弗里斯比計算，飛到巨蟹55恒星需要3800萬噸反物質燃料，耗時130年。而采用聚變火箭，同樣的航程則需400年。專家說，星際旅行需要更輕、更靈活和更快捷(接近光速)的推進系統。目前，這樣的概念型系統有兩種，一種不久將接受測試，而另一種則如同半人馬座阿爾法恒星那樣遙遠。

原子火箭以外新的技術

激光帆船

弗里斯比說，激光帆技術是人類星際旅行最可行的技術。這一技術的理論是，正如帆船依靠風力漂洋過海，大功率激光束也能推動巨大“帆”的航天器在太空遨游。

工程師已經制造了一種簡單的太空帆船，但它利用太陽光而非激光束。在幾個月后，太空愛好者私人組織“行星協會”就計劃從巴倫支海，利用俄羅斯潛艇發射人類歷史上第一個太陽帆船“宇宙1號”。它重50磅，鍍鋁“帆”寬達100英尺，依靠太陽光升入更高的軌道。太陽帆船的好處是不用燃料，然而遠離太陽后將無法繼續前進。

而聚焦的激光束則不像太陽光那樣隨著距離增加而散射、減弱，它能將“帆船”推到半人馬座阿爾法恒星甚至更遠。弗里斯比設計了飛往巨蟹55恒星的方案，他采用600英里(1英里合1609米)寬的鋁箔帆船，中間是宇航員艙。從地球軌道或月球表面上發射的高能激光將通過一面600英里寬的鏡子聚焦，再推動帆船。但由于鋁的熔點為660攝氏度，因此帆船還需要使用更輕、更有彈性的材料，比如鈮(熔點為2477攝氏度)或鉆石(在1799攝氏度時轉化為石墨)。

可是，根據弗里斯比的估算，要到達巨蟹55恒星，激光器應該穩定地輸出1.7億億瓦特，是地球上任何單位時刻所消耗能量總和的1200倍。面對如此巨大的需求，弗里斯比建議使用太陽能，靠特殊裝置把它轉變為聚焦、連續的高能光束。目前，美國物理學家已研制了一種能將光密度提高8.4萬的系統。

弗里斯比計算說，激光帆船能在10年內飛行速率達到光速的一半。而如果采用直徑為200英里的激光帆，人類可以在12年半的時間內抵達半人馬座阿爾法恒星;采用600英里寬的激光帆，飛到巨蟹55恒星也只需86年。

聚變沖壓式噴氣發動機航天器

理想的航天器應該同時具有激光帆和原子火箭的優點，這樣，宇航員能操縱它隨意飛行，同時它還不需要燃料。物理學家提出聚變沖壓式噴氣發動機，它利用巨大磁鐵形成了直徑數萬公里的磁漏斗，磁漏斗可以在星際旅行過程中收集氫，作為反應堆的燃料。沒有燃料重量的拖累，航天器在聚變沖壓式噴氣發動機的推動下，能以接近光速的速度在星系中穿梭。但弗里斯比表示這一技術遠未成熟。利用該技術的航天器在飛行速率不到光速的4%時，運行情況與聚變火箭相似。超過這個速率，航天器的磁漏斗才能收集足夠的氫提供給反應堆，這種航天器飛到半人馬座阿爾法恒星需要25年，飛到巨蟹55恒星需要90年。

人的問題

與技術問題一樣麻煩。盡管人們已經知道如何讓宇航員在太空站中保持健康，然而宇航員每次執行任務的時間一般只有幾個月，并且有宇宙飛船從地球定期給他們送生活用品。而星際旅行常常花費數十年的時間，中間根本沒有地方補充食物等生活必需品。

地球以有限的大氣、水和耕地養活了60億人。然而，人實際上只使用了大氣、水和耕地這個系統的一個很小部分。在航天器里，就可以模擬制造這樣的系統，也就是說，用適量的水、氧氣和食物供人生存。但是，這些水、氧氣和食物都必須以近100%的回收率一次又一次地循環。科學家把它稱為封閉的循環。如此，人在太空中生存的條件就具備了。

食物

要保持食物持續供應，就需要有相應的糧食種植和收獲。美國宇航局的專家認為，這不是特別難，問題在于它能多有效。目前，他們正在進行小麥和西紅柿的相關實驗。而研究表明，多數植物在高濃度的二氧化碳情況下長勢喜人，二氧化碳可由宇航員呼出的氣體提供。這些專家說，只需要合適的質量和電力，就可以不斷地生產糧食了。

氧氣

宇航員吸入氧氣、呼出二氧化碳。二氧化碳能通過儀器從宇航員生活環境氣體中分離出去;接著再用化學方法把它分離成兩個氧原子和一個碳原子，從而獲得二氧化碳中的氧。科學家打算不久之后在國際空間站中采用這樣的氧氣循環法。

水

一個封閉的水循環意味著把洗澡用的水、種糧食用的水、尿甚至汗都要回收。美國宇航局在地面隔離艙的實驗，已經通過冷凝空氣中的水蒸氣、回收廢水和尿成功地讓水循環利用了90天。

引力

在失重狀態下呆幾個月后，宇航員就會患上骨質疏松癥。在航天器上，可以有一個簡單的方法模擬地球引力：讓宇航員艙旋轉，產生的向心力就相當于地球引力。

輻射屏蔽

每一艘航天器都將受到太陽風的影響，太陽風是從太陽表面高速噴射出來的離子粒子流。而在更深邃的太空中，航天器肯定還要受到宇宙射線等的輻射。這些都有可能殺死宇航員。裂變、聚變和反物質也同樣產生輻射。諸如石墨之類的輻射屏蔽將是必需的。

垃圾保護層

星際中特別空曠，但太空垃圾卻防不勝防。即使是一個以一半光速速率飛行的用顯微鏡才能瞧清楚的太空垃圾，也能給航天器帶來災難性的破壞。垃圾防護層是必須配備的。