20年到达距太阳最近的恒星，“光帆”会是星际航行的新希望吗？

宇宙之浩大超乎想象。因此，人类长久以来一直只能在自己的“一亩三分地”太阳系内探索。在现有的火箭技术下，即使是去距太阳最近的恒星——比邻星，搭乘航天器也需要 12000 年才能抵达。

2016 年，“突破摄星”计划（Breakthrough Starshot initiative，由霍金与俄罗斯亿万富翁、互联网投资人米尔纳等人联合启动）提出通过另一种方式来实现星际航行：在地球上发射大量的激光束来驱动一队体积微小、质量超轻的太空探测器。这些探测器将由光帆来运载，而光帆则由能够反射光子的材料制成，通过反射产生的反作用力牵引航天器。

用这种方式，探测器可以以光速的 20% ——超过 2 亿公里每小时的速度飞行，这样到达比邻星只需 20 年。探测器将在比邻星的星系遨游，把“另一个地球”——行星比邻星 b（Proxima b）的照片传送“回家”。

那么，光帆航行究竟是否可靠？在新一期的《自然·材料》杂志上，美国科学家发表了关于光帆设计的论文。在论文中，加州理工学院材料科学家 Harry Atwater 和他的团队讨论了光帆航行的可行性。

他们首先考虑了能够让光帆在星际间高速飞行的设计要求。

Atwater 指出：“光帆必须超轻（在质量上仅有几克，或更轻），面积很大（几平方米）， 而且必须能够完全反射特定波长的光。”

否则光帆哪怕吸收了强激光的一点点能量，它也会因此而过热气化。

他们团队随后权衡比较了许多材料，来寻找能满足如此严苛光学、机械和热学性能要求的设计方案。最终他们建议可以使用纳米光子结构，比如二维的光子晶体和超表面。这种人造的超材料结构得益于其精密的几何结构和尺寸，能让光（电磁波）改变他们的通常性质。这种（纳米光子）结构的尺寸应与所使用激光的波长接近。

Atwater 建议，现有的生产集成电路材料薄膜的技术可以被改造，“放大尺寸”来生产光帆材料。他说，这个技术改造过程可能需要长达十年甚至更久的研究。

即使光帆技术已经实现了，后面也会有许多的技术难题需要攻关。摄星团队此前已将大部分难题在网上公开。

比如，如何让高速飞行器免于被星际尘埃撞毁？我们如何产生大规模激光束来驱动光帆？

许多航天科学家对项目的可行性是表示质疑的。新西兰航天科技中心的 Duncan Steel 发问：“你怎么可能设计出一个不但能将信号传回四光年外，还可以被安装在亚克级（sub-gram，一克以内）总质量的芯片或飞船上的拍照和通讯模块呢？”

“即使这些超级技术难题能够被解决，项目的花销也将是天文数字”， 悉尼科技大学研究者 Jonanthan Marshall 表示。他没有涉足该项目。

Marshall ：“他们（突破摄星团队）希望整个项目能用二十年从地球到达比邻星，再用二十年来搭建和测试‘样船’。不过鉴于这个项目是由私人投资者出资支持的，但愿他们能够从这些投资者处持续获得项目经费。”

尽管未来充满不确定性，这样的研究仍然将未来星际航行向前推进了坚实的一步。

Steel 说：“没有人真的认为我们可以在近期进行项目的任何尝试，项目愿景距离我们依旧遥远。但我们的目的是借此引发（学界）相关的思考和研究。”

Atwater 也对项目成功有着理性的预期：“科研就是这样：永远都有失败的风险，但是对于探索者来说除此之外无路可选。”

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编辑：wyx

参考：

https://cosmosmagazine.com/space/laser-powered-travel-to-nearby-stars-a-step-closer