离星际航行更进一步，微重力环境下光帆实验取

如果想去各种星球旅行，我们必须非常具有创造力。传统火箭不够强大，无法帮助我们在长度较为合理的时间段内完成穿越数光年的旅行，即使是核能火箭恐怕也做不到。所以我们人类该怎么办？答案很简单，那就是光帆。

齐奥尔科夫斯基火箭方程的质量比图示。图片来源：维基百科用户Krishnavedala。

任何太空旅行的挑战都可归结到一点——加速度。就是说，如何能够将你自身的速度调节到与地球转速相应的程度。为了获得加速度，你必须有某种推力。通过火箭就能很好获得加速度，但是这就有一个非常大的短板：你必须随身携带火箭燃料，也就是说，你越想提速就得带越多的燃料。换句话说，加速度越大，根据有效载荷比，你的质量就得越大。

如果有一枚高效的火箭，倒是能降低这个比率。况且现在也有不少小窍门是被应用在我们的航天探测器上的，比方说低空飞行策略。但是这些方法治标不治本，没有哪个能让你真正与光速融为一体，成为它的一部分，而这恰恰是一个星际飞船所需要的。所以，如果问题就出在你得携带燃料上，为什么不干脆杜绝对燃料的需求而另寻他法？

多美的景象！在这幅图像中，光帆二号的太阳帆差不多在7月23号就部署完成了。鱼眼相机镜头使得这帆看起来有点弯曲。图片来源：行星学会。

这是光帆诞生的地方。光帆依靠反射太阳光或者来自强激光的光，而不是火箭喷管喷出热气体来产生推力。光的光子没有质量，但它们确实产生动力。当光子冲击某个表面时，它会对这个表面产生微小的推力。这种现象无时无刻不发生在地球上，但我们从未意识到，因为这种推力实在是微小至极。

“光帆”是可行的。在2015和2019年，行星学会发射了测试光帆来验证这一观点。他们展示了光确实可以用来推进小型卫星变轨运动。然而不可否认的是，在“光帆”真正投入实际应用之前还有很长的路要走。

想要从“光”里获得足够的推动力，光帆本身需要非常大。即使是推动很小的飞行器也需要千米大小的光帆。而如果采用聚酯材料制作光帆，那么这面光帆的质量会非常大，如此沉重的光帆本身就会浪费掉绝大部分获得的动力。因此，先要将“光帆”投入实际应用，我们需要一种十分轻盈的材料来构成光帆，同时这面帆要有足够的强度能够保证航行。

石墨烯是一种六边形排布的单层碳原子。由于石墨烯材料的独特性能，石墨烯材料构成的单层原子厚度的光帆能拥有极高的强度。由于如今仅能人工获得小片的石墨烯，SJCB团队仅仅制作一个3毫米大小的小型光帆，这片小小帆还不足四分之一克重。SJCB团队将这片小“帆”放进了一个微重力仓中，并用0.1瓦到1瓦功率的激光照射这面船帆。而相比热辐射，光帆从光辐射中获得了十倍的加速度。

光帆确实是有效的。相关研究证明了石墨烯光帆能够捕捉光产生的推力。而下一步面临的挑战更为艰巨：构建一面足够大的光帆（能够推动起真正的卫星或者航天器）。现在已有光帆的大小远远没有达到千米级别。星际航行的梦想或许仍然不可琢磨，但是光帆概念的出现却也为这条漫漫长路带来一丝希望。

相关知识

“光帆计划”由行星学会提出（一个致力于宇宙探索的非营利组织），它验证了小型卫星在近地轨道可控光航行的可能。这一项目的实施具体由两组航天器组成：光帆1号和光帆2号。光帆1号是一个工程演示任务，旨在测试其新的帆在太空的部署方法，而它本身并没有真正用于航行。而光帆2号是一个功能全面的航天器，它的设计结合了光帆1号的经验，能够用于真正的光驱动太空航行。“光帆计划”是“宇宙计划“的后续项目，“宇宙计划“由行星学会在2000年发起，其中建成的宇宙1号飞行器在2005年发射失败坠毁。

两个光帆航天器的装载尺寸均为10厘米×10厘米×30厘米（3.9英寸×3.9英寸×11.8英寸）。在帆展开后，每个航天器的总面积为32平方米（340平方英尺）。

作者：universetoday

FY：Astronomical volunteer team

如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处