圖片：行星協(xié)會

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，宇宙飛船可以利用一種激光帆飛向遙遠(yuǎn)的恒星，這種激光帆表面類似于CD和DVD，可以幫助宇宙飛船保持在激光束的中心。

目前，由化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動的傳統(tǒng)火箭仍然是太空推進(jìn)方法的主流形式。然而，它們的效率還遠(yuǎn)不足以使航天器在人類有生之年到達(dá)另一顆恒星。比方說，雖然半人馬座阿爾法星是離地球最近的恒星系統(tǒng)，但它距離地球仍然有4.37光年，這相當(dāng)于41.2萬億多公里，是地日距離的27.6萬多倍。這相當(dāng)于什么概念呢?美國國家航空航天局(NASA)的旅行者1號(Voyager 1)探測器于1977年發(fā)射，2012年才抵達(dá)星際空間，如果探測器的方向正確的話(更何況現(xiàn)在并不正確)，它需要大約7.5萬年的時(shí)間才能抵達(dá)半人馬座阿爾法星。

目前宇宙飛船使用的所有推進(jìn)器都有一個(gè)共同的問題，那就是它們攜帶的推進(jìn)劑都有質(zhì)量。長途太空旅行需要大量的推進(jìn)劑，使得航天器變得很重，而這反過來又需要更多的推進(jìn)劑，使它們變得更重。宇宙飛船越大，這個(gè)問題就越嚴(yán)重。

此前的研究表明，“光帆”技術(shù)可能是其中一種可以在人類有生之年將探測器送到另一顆恒星的技術(shù)可行方法。雖然光不會產(chǎn)生太大的推力，但科學(xué)家們一直認(rèn)為，光產(chǎn)生的一點(diǎn)點(diǎn)推力可能也會產(chǎn)生重大影響。事實(shí)上，大量的實(shí)驗(yàn)也表明，只要有足夠大的鏡子和足夠輕的飛船，“太陽帆”就可以依靠陽光來推進(jìn)。

耗資1億美元的“突破攝星計(jì)劃”(Breakthrough Starshot)曾經(jīng)于2016年宣布，計(jì)劃向半人馬座阿爾法星(Alpha Centauri)發(fā)射大量微芯片大小的宇宙飛船，每艘飛船都配有非常薄、反射性極強(qiáng)的帆，而且這些飛船將會由有史以來最強(qiáng)大的激光推進(jìn)。按照該計(jì)劃，這些小飛船將會以20%光速的速度飛行，大約在20年之后就可以到達(dá)半人馬座阿爾法星。

但使用激光帆有一個(gè)問題，如果激光帆偏離了推進(jìn)激光束的方向，它們就可能會嚴(yán)重偏離目標(biāo)(在“突破攝星”計(jì)劃中，至少在最初階段，激光束將會以地球?yàn)榛?。而現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)并測試了一種新的帆，這種帆在原理上可以自動地在所需的幾分鐘內(nèi)保持在激光束的中心，使航天器能夠在星際旅行甚至是恒星際旅行中保持航向。

這種新型的帆依賴于一種被稱為衍射光柵的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最常見的地方就是在CD和DVD上。衍射光柵是一種覆蓋一系列規(guī)則細(xì)微凸起或狹縫的表面，它們可以散射或衍射光，使不同波長或顏色的光向不同的方向傳播。

在CD或DVD上，信息以不同長度的細(xì)微凹坑作為編碼形式，這些凹坑排列在相同寬度和相同距離的行中，然后激光束就可以掃描這些磁盤來讀取數(shù)據(jù)。這些行在CD和DVD的鏡面上形成一個(gè)衍射光柵，可以將白光分解成許多顏色，形成人們在這些光盤上看到的彩虹圖案。

這項(xiàng)研究的資深作者、紐約羅切斯特理工學(xué)院的光學(xué)物理學(xué)家Grover Swartzlander：“如果你曾經(jīng)研究過光盤上美麗的光，你就會看到衍射效應(yīng)?！?

研究人員制造了一個(gè)由兩個(gè)衍射光柵并排放置的帆。每個(gè)光柵均由排列整齊的液晶構(gòu)成，這些液晶包含在一張塑料薄膜中，類似的液晶常用于電子顯示屏和電子表。

以前的光帆設(shè)計(jì)就像鏡子一樣會將光束反射回其光源。但在新的設(shè)計(jì)中，每個(gè)衍射光柵中的液晶會使光線以一定的角度偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的推力會使帆向后方和側(cè)方運(yùn)動。

新帆左側(cè)的光柵會將光束偏轉(zhuǎn)到激光束的右側(cè)，而右側(cè)的光柵會將光束偏轉(zhuǎn)到左側(cè)。因此，如果帆的位置移動了的話，激光束落在帆的兩邊之后就會把帆推回原來的位置，使激光重新落在帆的中心。

在實(shí)驗(yàn)激光帆的測試中，科學(xué)家們必須檢測出帆在激光作用下產(chǎn)生的微小作用力，同時(shí)將這些力與諸如建筑振動或氣流擾動區(qū)分開來。

Swartzlander說：“我們沮喪地發(fā)現(xiàn)，在某些情況下我們的測量結(jié)果會變得不可靠，但最終，我們找到了足夠的位置和避免干擾的方法?！?

研究人員成功地探測到帆產(chǎn)生了令其重新回到激光中心的推力，將它推回到與激光束對齊的位置。

Swartzlander說：“實(shí)驗(yàn)結(jié)果與我們的理論預(yù)測一致，這非常令人興奮，這表明我們可以自信地設(shè)計(jì)出由陽光或激光束驅(qū)動的更復(fù)雜的衍射結(jié)構(gòu)?！?

目前，研究人員正在試驗(yàn)一種新的帆，無論這種帆向任何方向漂移，它都可以自動居中，而不僅僅只限制于向左和向右。Swartzlander說：“有趣的是，它們可能具有與密集磁盤衍射特性非常相似的光學(xué)特性，”。

研究人員建議，未來他們的帆可以在國際空間站或地球周圍的小衛(wèi)星上進(jìn)行測試。12月13日，他們在《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)在線版上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。