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霍金的突破摄星计划的原理与技术难度梳理
2016-04-14 18:48:24   来源:   评论:0 点击:

探测器的速度问题已经有了初步的规划,但没见到对通讯问题的描述,私以为让只有几克重的探测器在四光年外与地球保持通讯似乎是个不可能完成的任务。


史蒂夫.霍金入驻新浪微博,第一件事就是安利他和脸书老板,中国好女婿, Mark Zuckerberg参与的一个项目,叫做Starshot:让我们去星际旅行吧。
Starshot的基本思想是用激光脉冲把一个重量仅为几克的星际飞船在30分钟内加速到20%的光速,这样在20年内,这飞船就可以飞越我们最近的邻居,距离地球大约4光年远的半人马座α星。在飞越的时候,飞船可以考察 半人马座α星的行星系统,看是不是有类地行星,并传回图像。这个计划目前是投资1亿美元。因为这个项目是一个所谓的Breakthrough initiative, 所以很多技术目前还没有。霍老爷号(hu)召(you)大家都来投钱做研究。当然,中国 是必须要忽悠的。
看到这个消息我第一反应,这不是愚人节消息吧?直觉上,至少有下面几个困难,在概念上就都不可行啊:
1. 导航。飞船自身不带能源(因为只有几克的重量),基本上就是一张纳米薄膜。既然没有动力,自然不能导航,所以在一开始用激光照射加速的时候就必须对准了半人马座α星一炮打过去。这怎么可能?4光年以外,你要一炮打过去?
2. 通讯。你用啥发信号?这么远的距离信号衰减到宇宙背景噪音了吧?
3. 拍照。光学极限你不能突破吧?镜头再小也是有重量的啊?难道用纳米镜头?
于是,我很好奇的打开网站,大致阅读了一下他们的项目规划(Roadmap ),然后又脑洞大开了一下,发现其实也不是完全不可能:
1. 导航。这个在项目规划里没有提及。但是我想其实飞船是可以有动力的,这个动力就是主动激光。想法是这样的,当飞船接近半人马座α星的时候, 半人马座α星的光照可以给飞船能量,这个能量以激光的形式被飞船发射出去得到反推作用。当然,这个激光的功率极低,需要计算才知道是不是足够改变飞船的方向。因为在项目规划里面提到当飞船接近的时候,他们准备用半人马座α星的光压来给飞船减速,但是他们也没有信心这个过程足够让飞船减速到半人马座α星的第一宇宙速度,所以他们说一次飞越任务也许是目前最好的选择。无论如何,提供一个可以考虑的方向。
2. 通讯。他们计划用激光本身来通讯。通过计算,上行(地球到飞船)的理论值可以到2*10^18bits/s. 这个速度很惊人,下行理论值大约是70Mbps, 这个也是很好的(比我家的歌华宽带要好很多)。当然,这是基于很多目前不现实的假设,但至少理论上是可能的。
3 拍照. 项目规划里面没有提到这个问题。我仔细一琢磨,发现我很笨。其实根本不用照相机。利用全息技术,直接回传全息数据就可以了。

这里是更多的相关论文和书籍。


想想很激动啊,脑洞不在大,而在更大。霍老爷这次能忽悠到钱嘛?
想想很遗憾啊,即使飞船今天发射,等我们看到第一张照片的时候我也已经退休好久了(暴露年龄贴):(, 还要祈祷这一路上没有陨石,彗星,小乖兽把飞船给截了去……
想想很沮丧啊,昨天看到碳云科技融资10亿,要做什么精准美容……


现实版的红岸,三体人天空中最亮的星。霍金老爷子不是说好要警惕外星人的吗?怎么现在这样。。。

探测器本身和数据回传没想象的难,调制激光的反射率即可,类似感应IC卡的后向散射调制。激光束比较难,需要远超现役激光武器的功率和口径。尤其是相干孔径要非常大,这不仅决定了发射光束的散射还决定了接收机的增益。高功率短时间的玩法只能有去无回,但暴露地球的目标已经足够了。

如果激光束对探测器的推进性能远超太阳光,在半人马座阿尔法星的方向看来,激光束亮度就要远超太阳。

在三体人看来,太阳是天空中一颗较亮的星,而激光束会成为天空中最亮的星,甚至白天可见,甚至无法直视。即使最初级的文明都会注意和记录到这个现象。

哪怕在几年内用几百万美元拼凑出的原理样机,完全没法实现探测,只要超过太阳的亮度和太阳帆的加速度,就足以达到这个效果。



纳米飞行器应该指的是飞行器元件由纳米技术制成,并非整个飞行器为纳米尺度大小
随着技术的发展,人们能控制的制造尺度越来越小。据我所知,光是制造业中的3D打印技术已经可以有微米级的精度。在一些化学领域,纳米大小的材料可以被轻易制得。
在纳米科技将盛行的未来,霍金提出的纳米飞行器指的应该是内部元件由纳米技术制造而成,使其具有至少通信及摄像的功能,并保持极小的质量。


关于动力的问题,霍金也给出了解释
 

“一台质量为克级的自动化太空探测器—— 并且通过光束把它推动到五分之一的光速”
“a gram-scale robotic space probe – and use a light beam to push it to 20 percent of the speed of light”


由此可见,利用光束推进方式应该和太阳帆有点像。这种帆能将达到其身上的光束能量转化为动能,进而推进飞行器。


由于质量单位是克级,这类推进方式能提供给飞行器的能量效率应该不会小。

霍金的确没有给出更为详细的内容。这些光束将是从大气层内发出的呢,还是由发射到地球轨道上的设备发射的,或甚至是利用反射太阳的光呢?种种尚未披露的细节令人颇感兴趣,但各项技术毕竟不是那么成熟。


如果是地球上的激光光束阵列推动其前进,那由于地球自转,全球都将应该布满这类阵列(阵列还要跟着飞行器转)。这将会非常烧钱(所需要的能量非常 非常多),并且大气层对光束也会有一定的影响。但是这种阵列,由于光束的密度,能提供给飞行器的能力应远高于太阳,因此在不考虑开销的情况下,不失为一种好的选择。

技术的难度主要在纳米科技(要求制造纳米精度的电子元件,纳米精度那么薄的太阳帆)及材料技术(哪种材料的太阳帆能由最高的转化效率)的领域上。

NASA 15年发射的Sunjammer,其太阳帆质量达到32kg,面积为1200平米,拥有0.01牛的推力,厚度为5μm。这说明对于太阳帆的应用我们还有很长的一段路要走。若能将厚度大幅减少,提升帆面光反射效率(减少增加的热能从而增多动能),其推力将会增加,质量也会下降。事实上,南开大学15年中旬就研制出一种以石墨烯为材料的帆面,据称可获得传统千倍以上的光压。假设这类材料被成功应用,推重比将达到惊人的0.03,加速度为0.3m/s^{2} .(这还是使用传统厚度及利用太阳为能量源的情况下)假设利用纳米科技降低厚度90%,并且用高能激光束推进的话,加速度(保守估计)能够大于3.这就意味着,在半年以内该飞行器能达到16%的光速。

让我们静静地期待这场由霍金开辟的项目吧。



 

刚给霍金的微博发了两条建议,这里也搬运一下:
I suggest that we can send several nanocrafts orderly, the interval between these crafts can be several months. I think there're two advantages: first, if one was damaged by cosmic dust, the rest can also go ahead. second, the successors can be the communication relay.
我建议连续发射多个探测器,间隔数月。这样做有两个好处:一旦前面被宇宙尘埃损坏,后面的可以继续前进。另外,后面的探测器群也可以作为通讯中继,解决信号传输问题。
==========
之前一些实验发现,太阳帆最大的问题是面积大,轻且薄,一旦太阳帆或者和探测器的系带被宇宙尘埃击中,可能会迅速解体或者改变航向,结果就不可控了。所以,多发射几颗,降低损坏概率,是一个办法。(看过《三体》里阶梯计划发送云天明大脑的朋友应该理解我的意思)
通讯也是一个大问题,由于天线指向和功率限制,远距离无线电通讯的效率很低。如果相隔几个月依次发射几个探测器,可以起到通讯中继作用。不过,这个设想也需要实验验证可行性,如果接收天线带来的额外重量会拖累速度的话,也许会得不偿失。不过,如果可以在太阳系边缘建立一些大型通信中继站,也是一个考虑的思路。

另外我想引用NASA的科学副总监恩斯特·史都林格在1970年5月6日回复一个修女的信:
解决工程问题时,重要的技术突破往往并不是按部就班直接得到的,而是来自能够激发出强大创新精神,能够燃起的想象力和坚定的行动力,以及能够整合好所有资源的充满挑战的目标。
所以,霍金提出的这个设想,如果可以得到全世界科学界和工业界的共鸣及合作的话,会极大地促进当代科技水平的发展。

 


几乎不可想象这是哪个在许多年前呼吁人们不要向外星喊话的霍金.
首先几乎可以肯定在AC是不存在类地行星的,这一点随着当代科学技术的进步,等到那颗探测器能够打出去了,人们已经可以完全确定那里的行星情况了,这时候必然出现两种情况,或者根本没有行星,那人们就已经没有必要往AC打探测器了,(或许会往别的地方打),要么就是发现存在类地行星再往那里打过去.
那么无论是往AC打探测器还是往别的什么星球打一个探测器,我们都不知道该行星上是否存在智慧生命,从概率的角度说,几乎能难想象任意一个外星文明(如果存在的话)科技水平将低于地球,也就是说几乎可以确定我们的探测器,无论多小,都会被发现. 按霍金一贯的主张,人们不应该冒着地球被发现的风险而向这样未知的行星发射探测器.作为上个世纪最强大的大脑之一,霍金显然不可能想不到这一点,那么这样看来,霍金这次狂打自己的脸,其目的就显得不言而喻了.
能不能发射到那个行星,其实并不是最终目的,这以过程中积累起来的科学技术才是最为关键的. 霍金自80年代以后在学术上几乎毫无建树,然而身体的残疾和《时间简史》为他积累了大量的声誉,使他可以参与到公共事业之中,为科学发展观间接地起到推动作用,而这次可以说是他自我消费的绝佳机会(当然事实是他为了科学发展而自我消费),如果一定要评价的话,那么可以说霍金的这次绝对是成功的,在可预见的未来内,人类的非化学推进技术,纳米技术,计算机技术都将迅速发展,然而这些技术几乎不可能应用在现在的创想上,抛开与这项计划不相干的,目前尚且无法预料的应用不谈,至少今后太空探索的成本将会大大降低.
至于人类到底要不要像外太空喊话这个老生常谈问题,我至少认为人类不应该在技术相对不成熟的情况下轻易进行星际通讯,许多说法认为行星之间的距离太多遥远,而地球又太过贫瘠,完全不可能有被占领的可能. 然而其实对地球生命而言,很长的几十年也许非常短,也许智慧生命可以存在很长时间,对他们而言,在他们自己的太阳系内飞行到最远的地方也不过就是去楼下买包烟的时间,这时候如果他们发现可以在一年的时间里去往一个没有去过的地方,那里有一些闻所未闻的动物,也许还是有一些吸引力的,也许把那颗星球下的“大猩猩”们当作宠物赏玩,是一件不错的事情呢?我们对于外星生命一无所知,这种情况下用人类的思维推断都是危险的,暂时保持沉默还是比较明智的

 


应该是一种近未来的微型的探测器,尺寸大于可见光波长,拥有某种通讯方式的探测器,因为质量和尺寸小所以可以被人类的高能加速器加速或者高能激光加速到极高的速度。看起来和《三体》中的“智子”有异曲同工之妙。

貌似量子纠缠通讯是不成立的,所以我并没有说,还有其实我一直想不通的是这个探测器的能量源是啥。

度娘那里找的“纳米卫星”图片...

不过这个纳米并不是真实意义上的“纳米”。只是特指其微小的尺寸,比如现在航天活动中就有“纳米卫星”和“皮卫星”,并非说它们的尺寸是真正的纳米级,而只是说它们和动辄几吨的大型卫星相比,真的很小。霍金也说这个探测器实际上只是一个g级的飞行器,不过即使是只加速到1/5光速,所需要的能量也肯定会达到10^15J的能量等级...相当于十几万个火电站一年的发电量。

不过,这个东西虽然没有出现,我们还是可以设想一下。这个探测器会是什么样子的。

作为探测器,它肯定拥有飞控系统和感知系统,这些其实并不会多重,因为飞行中阳光很微弱,所以这个飞行器应该是使用同位素电池的,信号的传输指向应该是依靠探测器本身的旋转来打成,因为调整方向的机械系统实在太重,或者它还有有一个可以脱离的太阳帆模块,在初始阶段用于加速,从轨道上的高能发射器发射后,由高能激光器对其进行持续的加速。

从人类科技上看,这种探测器并非很难制造出来的,只是。。。用这么高的代价制造一个探测器从科学和经济上或许都没什么意义。

至于激光加速方法,其实在太空制造一个激光阵列停泊在拉格朗日点,似乎更靠谱的多,在或者在一些地方兴建若干激光地面站,在太空中布置大量的折射装置来折射激光也是一个比较靠谱的办法。

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