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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

日志

 
 
关于我

什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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[小红猪]《赶往火星》连载——火星殖民(下)  

2013-02-17 16:49:50|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:小红猪小分队

你大概看过SpaceX公司打算送8万人去火星定居的新闻,也注意到了最近荷兰那个征集火星殖民者的真人秀,那么,真人去火星,到底怎么走?

看完这本《赶往火星》(The Case for Mars)(http://book.douban.com/subject/10532684/),一切疑问应该会得到解答。

“火星狂人”、航空航天工程师、美国火星协会主席罗伯特·祖布林(Robert Zubrin)1996年就写出了这本书,2012年,他又将之全面修订,但主张没有变:只需要10年,我们就能利用现有技术把人类送上火星,然后利用当地资源,逐步实现火星定居。

如果一切顺利的话,2022年,人类载人火星计划的第一批成员将离开地球,他们会在6个月后看到火星锈色的土壤;2033年,数次短期考察后,宇航员们会找到火星定居的最佳位置,人类文明的新分支将在此生根发芽。完全利用现有技术,预算合理。

卡尔·萨根说:“祖布林几乎单枪匹马地改变了我们在这个问题上的想法。”阿瑟·克拉克则为此书第一版作序,说这是他所见的“关于火星的过去与未来综合性最强的记录”。

书的前6章中,祖布林详述了这项“火星直击”计划的前因后果、具体发射安排和其中涉及的所有技术细节:出发速度、往返轨道、启程时机、考察组组成、后勤补给、后备计划、可能的阻碍,以及宇航员们在火星上如何行动,如何生产燃料和氧,如何联络、导航、计时(关于火星日历,请看《赶往火星:火星日历》)。

接下来,祖布林要说的是如何在火星建立基地并开展火星殖民,我们的连载就从这里开始。

再次提醒:这不是科幻小说。

译者:阳曦

前情提要:

[小红猪]《赶往火星》——在火星上建基地(上)

[小红猪]《赶往火星》——在火星上建基地(下)

[小红猪]《赶往火星》——火星殖民(上)

移民火星

行星际旅行的困难也许会让火星殖民看起来像是幻想。不过,从定义上说,殖民是条单行道,正是这一点让我们有可能为新世界的殖民地送去发展所需的大量人口。

我们考虑一下人类移居火星的两种可能模式:政府出资模式与私人出资模式。

如果选择政府出资模式,今天我们已经拥有大规模移民所需的基本技术手段。【图1】中我们可以看到向火星运送移民的设想之一。脱胎于航天飞机的重型运载火箭把145吨(和土星5号运输能力相当)载荷送上近地轨道,然后用比冲量900秒的热核火箭(NTR,例如20世纪60年代美国NERVA项目中试制的那种)把一艘70吨的蜗居飞行器送上去火星的轨道,飞行时间7个月。到达火星后,蜗居飞行器用自身的圆锥形减速伞进行大气制动,最后在甲烷/氧发动机的帮助下降落。

【图1,增强式重型热核运载火箭,能将24位殖民者送上去红色星球的单行道。】

蜗居飞行器直径8米,拥有4个完整的居住层,总生活区面积200平方米,足够24个人在太空中和火星上生活。到达火星后,卸下装载的货物,就可以腾出第五层(最顶层)舱室扩大生活区。因此,一次发射可以将24个人送上地球去火星的单行道,包括他们的住房和工具。

现在,我们假设2030年开始殖民,每年平均有4枚这样的火箭从地球上发射。然后作若干合理的人口统计学假设,就能估算出火星人口曲线,结果见【图2】。仔细研究这张图片,我们会看到在这种程度的努力下(而且技术锁定在21世纪初期的水平),未来1个世纪中,火星人口增长率约为17、18世纪美洲殖民地的1/5。

火星殖民与美洲殖民的比较

【图2,火星殖民与北美殖民的比较。假设从2030年起,每年送去100位移民,男性和女性各50人,人口年增长率为2%。所有移民的年龄都在20~40岁。一个理想的火星家庭平均有3.5个孩子。0~59岁年龄组每年死亡率为0.1%,60~79岁年龄组为1%,80岁以上年龄组为10%。】

这个结果意义非凡。它意味着,去火星的遥远路途和由此引发的交通不便并不是红色星球上人类文明初期的主要障碍。关键的问题反而是资源利用、培育食品、建筑房屋以及在火星地面上生产各种有用的产品,正如我们在第7章中讨论过的一样。此外,预估的人口增长率是美洲殖民地的1/5,这有点慢,不过从历史的尺度来看相当可观。假设每次发射耗资10亿美元,对地球上任何一股希望在火星上播下自己火种的主要势力来说,在一段时间中持续每年投资40亿美元都是可以接受的。

不过,如果每次发射耗资约10亿美元,那每位移民就是4000万美元。这样的价钱政府也许负担得起(一段时间内),个人或私人组织就不行了。会有很多人出于自我选择想在新世界留下自己的印记,如果火星想从他们的充沛精力中获益,那运输费就得降到比现在低得多的水平。所以,我们考虑一下另一种可能的模式,看看费用到底能降到多低。

可以再次考虑我们用来把有效载荷从地面送上近地轨道的甲烷/氧单级入轨飞行器。把1千克有效载荷送上轨道,大约需要70千克推进剂。甲烷/氧双组元推进剂价格约为每千克0.2美元,那么把1千克载荷送上轨道,燃料成本为14美元。然后我们假设总的系统运营成本是燃料成本的7倍(大约是飞机总成本与燃料成本之比的2倍),那么把载荷送上近地轨道的成本约为每千克100美元。假设地球与火星之间有永久往返运行的飞船,船上水和氧的循环利用率为95%。这种行星际“渡船”由阿波罗11号宇航员巴兹?奥尔德林(BuzzAldrin)提出,可以作为永久性地球-火星运输体系的基础,能为大量移民有效提供足够的舱位。这种渡船只需要发射一次,然后就会在地球和火星之间永远飞行下去,往返周期为2.2年。用这样的渡船运送乘客,每位乘客(加上私人物品每位100千克)必须携带约400千克补给品,如食物、水和氧,来支持自己200天的去程航行。因此,把一位移民从近地轨道送上行星际往返飞船,也就是要给500千克载荷提供约4.3千米每秒的速度变量。移民从近地轨道登上渡船、从渡船登上火星地面都要乘坐转移舱,每位乘客分摊的转移舱质量大概要500千克。那么,每位乘客共有1000千克质量需要送上渡船轨道,如果转移舱采用比冲量380秒的甲烷/氧推进系统,那需要送上近地轨道的总质量就是3200千克。近地轨道运送价格为每千克100美元,假设渡船自身的费用均摊到极大数目的任务中,最终得出,把一位乘客送上火星的费用是32万美元。

显然,上述计算中我作了很多假设,其中任何一个发生变动都会使算出的船票价格显著上涨或下降。比如说,从地球到近地轨道这段路程,如果采用空气助燃的超音速冲压式喷气发动机(scramjet)来提供相当一部分速度变量,这段路程的费用就会降低到原来的1/3。还可以用电力摆渡船把转移舱加速到接近逃逸速度,然后停止加速,转移舱就能利用高推力化学级实现近距离有动力飞越地球,从而脱离地球轨道,与渡船会合。这一过程由化学推进实现,需要的速度变量仅有1.3千米每秒,因此运送的有效载荷会成倍增加,费用也会降得更低。如果渡船采用磁力帆(见拓展阅读)而不是只利用自然的行星际轨道(通过重力助推),那要与渡船集合,转移舱需要的离开地球的双曲线速度几乎为零,因此,近地轨道到渡船的整段路程都能用电推进完成,甚至用太阳帆、磁力帆也行。我们假设渡船上的维生系统中水和氧气的循环利用率为95%,如果增加维生系统闭环度,把该数值提高到99%,那每位乘客需要的消耗品就会减少,运输费用也会进一步降低。最终,理想情况下地球到火星的运输费用还能再降低1个数量级,每位乘客只要3万美元左右。逐步采用这些新技术,费用会随之逐步降低,见【表1】。

【表1,地球-火星运输系统可能的费用削减】

不过,早期移民的费用是每位32万美元,这个数字很有意思。这个数的钱谁都不会随便就花掉,但这个数——大约就是美国许多地区一幢郊区中产阶级高尚住宅的价钱,或者换句话说,大约就是一个成功的中产阶级家庭一生的积蓄——很多人都能出得起,如果他们真想去的话。他们为什么会想去?答案很简单:火星人口很少,交通费又这么高,那火星上的劳动力成本肯定比地球上高得多。因此,火星上的工资也许会比地球上高得多。

32万美元在地球上可能是一位工程师6年的薪水,那在火星上,他很可能只要一两年就能赚到这么多。过去4个世纪中的大部分时间,欧洲与美国之间的工资差别正是如此,这样的工资差别会使个人移民火星变得既有利可图又有望实现。从17世纪直到19世纪,许多欧洲家庭如出一辙,倾家荡产把一位家庭成员送到美国。然后,这个移民去赚足够的钱,让全家人都搬过去。今天,同样的一幕正在第三世界的移民身上重演,和现在的机票价格相比,他们在本国的薪水低得可怜。到达目的地后,移民肯定会有收入来付清船票,所以甚至可以贷款来付旅费。过去我们这样做过,将来也可以这样。

【图3,时间流逝,火星基地会成长为真正的定居地,人类文明新分支的起点。(绘图:罗伯特?默里,火星学会)】

如前所述,火星上将会出现的普遍劳动力短缺会促使火星文明进行技术变革和社会改良。如果你付了地球上5倍的薪水,那你肯定不希望自己的工人浪费时间做体力劳动或是填写表格;也不希望拥有紧缺技能的人没法全力施展,而仅仅因为他没有劳神费力地去做什么例行公事的培训。简单地说,火星文明注重实用,因为他们不得不这样,就和19世纪的美国文明一样。留在地球上的社群没有这么大的压力,所以更容易被传统束缚。在相互的竞争中,这种被逼出来的实用主义会带给火星巨大的优势。如果说需要是发明之母,那火星会为发明提供摇篮。一个以卓越的技术与实用主义为根基的前沿社会,而且成员都是在个人的驱动下主动加入的,它必将成为发明的温床,这些发明不但能为火星所用,地球上的人同样也能受益。因此,他们会为火星带来收入(向地球卖使用许可),同时也会打破劳动力丰富的地球社会固有的停滞不前的趋势。我们在稍后的章节中会讨论到,这个返老还童的过程最终将是殖民火星为地球带来的最大收益。而得益最大的地球社会,便是与火星的社会、文化、语言、经济各方面联系最紧密的那些。

出售火星不动产

火星不动产可以分成两种:适于居住的和露天的。适于居住的不动产,我指的是有圆顶遮蔽,人类移民可以不穿宇航服相对正常地生活的环境。与此相对,露天不动产指的是圆顶外的区域。显然,适于居住的不动产比露天的值钱得多。不过,这二者都可以买卖,而且随着交通费用的降低,这两种火星不动产都会升值。

目前火星上唯一的一种不动产是露天的,数量极大——1.44亿平方千米。不过它们看起来似乎毫无价值,因为不能马上开发。事实并非如此。在移民到达肯塔基州之前一百年,那里的大片土地就被买进卖出,交易金额很高。从开发的角度来看,今天的火星也许就是17世纪初阿巴拉契亚山脉以西的美洲。

不过,这些遥远的土地之所以具有价值、可以出售,有两个原因。第一,至少有一部分人相信有朝一日这些土地会被开发,而且个人可以拥有阿巴拉契亚山脉以西的土地,英国王室的土地专有权制度从法律上确认这种所有权。事实上,如果有合适的机制来维护火星上的私有财产权,现在也许就能买卖火星土地了。要实现这样的机制,不必在火星地面上雇佣执法者(不需要太空巡逻队),只要有一个够强大的国家,比如美国,能为这些专有权或财产注册,就完全够了。比如说,如果美国决定授予某个私人组织采矿权,他们对某片火星不动产进行了详尽勘测,那么这些地区的采矿权现在就可以交易,价格取决于它未来的可能价值(不久后,私人可能用这些采矿权资助自动探矿器的研发)。而且,如果有人侵犯专有权开采了材料,那只要让美国海关对这些材料制造的产品——无论是直接制造还是间接制造,无论在哪里生产——征收惩罚性进口关税,就能在国际乃至太阳系范围内保障专有权。这样的机制不一定意味着美国的主权会遍及火星,就像现在美国专利与版权局[1]把创意固化为知识产权,也并不意味着美国的政府主权遍及全宇宙所有创意。不过,不管出面的是美国、北约、联合国还是火星共和国,总得有某个政府许可,来为火星上一钱不值的不动产赋予财产性价值。

无论如何,只要做到这一点,火星上的土地,哪怕是未开发的露天不动产,也会带来滚滚财源,为初期的火星定居地提供发展资金。以平均价值每英亩20美元计,火星总值7000亿美元。既然火星可以进行地球化改造,那这些露天土地的升值潜力有上百倍,这意味着整颗行星的土地价值约70万亿美元。如果(事实很可能真的如此)能想出一种办法,使地球化火星的总费用远小于这个值,那些拥有火星的人就会有充分的动机,想尽办法对这颗行星进行改造,好让自己的财产升值。

当然,火星上的露天不动产价值并不相等。那些已知蕴含贵重矿物、水源,有地热能可供开发或其他资源的区域,或者离居住区域较近的地方价值会高得多。所以,火星上那些未经探索的露天不动产的主人会使尽浑身解数,对自己拥有的土地进行更深入的探索,鼓励人们前去定居,就像过去地球上的土地投机者干的那样。

比露天不动产值钱得多的是圆顶下那些适于居住的不动产。每个直径100米的圆顶质量约为80吨,能覆盖2英亩左右的区域。假设每个圆顶有可供20个家庭居住的设施,每个家庭愿意为自己的居住地付5万美元(他们会分到边长20米的一小块),那单个圆顶遮蔽的不动产总值为100万美元。这样算下来,修建大量圆顶来创造出大片可供居住的土地以供移民潮居住,这会是火星上最大的生意之一,也是殖民地的一项主要收入。

21世纪,人口增长会让地球上的不动产价格越来越贵,人们更难拥有自己的房子。与此同时,日常生活的不断僵化会让精神强大的人越来越难在地球上找到合适的途径,来发挥自己的创造欲与主动性。乐意创造“不正常”的人会越来越难以忍受那些保护“正常”的规章制度。一个狭小的世界会限制所有人的机会,还会发展出强迫性的行为、文化准则,让很多人都无法接受。等到这种压抑引起的摩擦变成不可避免的叛乱和战争,总会有失败者。环顾今天的世界,在亚洲、非洲、中东、前苏联和欧洲不难找出几打毗邻大国的小国家,他们正在或曾经表露出征服邻国的野心。我再说一遍,会有战争,会有失败者,会有数百万移民宁可远走他乡,接受创造新生活的艰难挑战而不愿屈服。他们需要一颗避难的行星,火星就在那里。

以历史事件类比

首先,我希望这样类比:新探索时代的火星就是曾经的北美。月球靠近中心地区但缺乏资源,相当于格陵兰。其他目的地,如主带小行星,可能富含以后能运回地球的资源,但缺乏在当地发展完整社会的前提条件——可以比作西印度群岛。只有火星拥有发展当地文明所需的全部资源,也只有火星是真正可行的移民目的地。正如美洲与英国、西印度群岛的关系一样,火星拥有去小行星带的地理优势,从小行星带采矿运回地球的过程中,火星可以扮演一个重要的角色。美洲的确是西印度群岛的糖和香料贸易、内陆毛皮贸易的大本营,也是潜在的产品市场。但是,就算不管18世纪欧洲政治家、金融家那些没有远见的算计,这些也从来不是美洲真正的价值。美洲真正的价值在于,它是人类文明新分支未来的家园,这个文明将人文主义的血脉与自身前线的实际情况相结合,成为人类发展和经济增长最强劲的发动机,它的强大整个世界前所未见。美洲真正的财富在于,她为人们提供土壤,而那些合适的人也选择奔她而来。前线的美国人富有革新精神,他们以行动创造出“无所不能”的实用文化,他们的所有特质同样适合火星,或者说,更适合一百倍。

火星比地球上任何一个地方更严酷。但只要你能适应那里的生存规则,最严厉的学校就是最好的。火星人一定是好样的。

拓展阅读

高级行星际运输方式

目的地促进运输的变革。正如新世界的发现促进了欧洲造船学的革命,火星基地的建立将促使新的航天推进系统出现,赋予火星殖民商业上的可行性。这些新系统的性能大大优于我们现有的任何系统,它们的概念已经存在了一段时间,等待着在需求的刺激下变成现实。我们来看一看未来有哪些可能。

空气助燃的发射系统

现有的以火箭为基础的发射系统运送货物的效率只有喷气式飞机的2%。造成如此差距的原因很简单——火箭自身携带氧化剂,而喷气式飞机从空气中获取氧化剂。氧化剂占总燃料质量的75%,所以这大大降低了火箭飞行器的性能。飞往近地轨道的运载火箭穿越的是一片氧化剂的海洋,那它们为什么不试着利用外界的氧化剂呢?

很不幸,技术困难和缺乏意愿从两方面阻碍了空气助燃式极超音速推进系统的发展。目前,一些导弹上使用的冲压式喷气发动机能将导弹加速到5.5马赫[1],不过一旦超过这个速度,就无法将进入喷气式发动机的空气的速度降低到亚音速,除非把空气加热到很高的温度。因此,发动机内部的燃烧过程必须在超音速流体中进行。能做到这一点的发动机又是另一种了——“超音速冲压喷气机”,它和现有的喷气式发动机之间的差别犹如喷气式与螺旋桨的差别。国家空天飞机(National Aerospace Plane,NASP)计划——由于人们没有意识到它的必要性,已于1993年取消——用计算机做了大量运算,证明超音速冲压喷气机行得通。还有一种替代方案,技术上没那么难,却有超音速冲压喷气机的大部分优点,那就是空气辅助式火箭:上升过程中,它从大气中获取一部分需要的氧化剂。1966年,马夸特公司(Marquardt Company)曾对一些空气辅助式火箭做过地面试验,其比冲量超过1000秒。不幸的是,这些发动机还没进行飞行试验,政府里的官僚就心血来潮改了主意,取消了这个项目。

如果单级入轨飞行器发射时能使用超音速冲压喷气机或空气辅助式火箭,哪怕只是部分使用,有效载荷也会大大增加。发展中的火星聚居地需要以低廉的费用将大量货物发送到近地轨道,以及超过近地轨道的地方。要满足这样的物流需求,需要的正是这种运输系统。因此,要发展能让我们以低廉的费用进入太空的技术,火星殖民正是其核心。

电推进

衡量火箭性能的关键值是比冲量,即它利用1千克推进剂能在多少秒内持续产生1千克推力。现有的最好的化学火箭比冲量约为450秒,而热核火箭的比冲量可达900秒。

【图4,核电推进航天器需要巨型反应堆系统。现在有人大肆吹嘘,核电推进是快速飞向火星的关键。这种观点是错误的,因为它们的加速动作很慢。不过,它们利用燃料的效率很高,所以有朝一日,利用这样的推进系统,可以显著降低火星货运的费用。(图片来源:NASA)】

不过,要达到高比冲量还有另一条路。那就是:剥夺气体原子的部分电子,使之电离;然后利用静电格栅产生的引力和斥力使电离后的气体加速。这种技术叫电推进,或“离子驱动”。还有一个相近的设想:将气体转化为等离子体,然后从一个磁喷嘴中喷出产生推力。不管选哪种,采用电推进,你能得到的比冲量高达数千秒,绝不需要将喷出的气体加热到很高的温度。这不仅仅是个理论,它已经成为现实——今天,许多卫星采用离子推进进行位置校正。不过,如果想要很大的推力,那需要大量电能。比如说,120吨的航天器需要5兆瓦能量(大约是国际空间站计划用量的70倍)来产生280牛(约60磅)的推力,比冲量5000秒。不过,如果有这么大功率,航天器可以持续推进差不多一整年,产生30千米每秒的速度变量,在近地轨道和火星之间打个来回。这种核电推进飞船(NEP)能实现如此不可思议的速度变量,而且质量比仅有1.82。要从太阳系里的某个地方去另一个地方,电推进飞船必须遵循的轨道所需的速度变量通常远高于(一般要乘以2)化学推进系统。不过电推进比冲量大概是化学推进的10倍,所以仍有优势,只要你别把核电推进系统本身做得太重。

已经存在千瓦级的电离子推进器,要把它们扩大到NEP运输系统所需的兆瓦级,没什么原则上的困难。迄今为止,要使NEP运输系统实用化,真正的困难在于这样的NEP系统需要兆瓦级的太空核反应堆来供能,要发展出这样的核反应堆,必须要有资金和长期的支持。基于上述内容,我们应该指出,某些电推进的强烈支持者,如前宇航员张福林(Franklin Chang-Diaz)领导的VASIMR组织,宣称只要有200兆瓦的核反应堆,他们的等离子驱动技术就可以完成去火星的快速旅程(约40天),这实在很荒唐。就算我们乐观地假设,到21世纪末,太空核反应堆的质量能量比将缩减到现在的1/8(现在是40吨每兆瓦,那我们假设将来是5吨每兆瓦),那200兆瓦的反应堆本身质量也有1000吨,比它的有效载荷重一个数量级。考虑到反应堆要推动的不仅仅是相对较小的有效载荷,还有它自己,那不管它有多大,都不可能提供整个飞船完成快速旅程所需的加速度。因此,VASIMR组织宣称他们支持的是突破性的快速推进系统,这毫无依据。而且更不幸的是,那些反对现在就把人类送上火星的人倒是很欢迎VASIMR,因为VASIMR给他们提供了一个借口:等到这种异想天开的太空发动机出现再去火星吧。

不过,如果我们抛弃利用电推进完成快速旅程这个不切实际的目标,核反应堆系统的尺寸就能控制得比货物更小,那么,这种技术可能在降低发射重量方面发挥关键作用,从而降低费用。这正是未来行星际贸易所需要的。

太阳帆

应当建造适合飞向神圣天空的船与帆。——约翰尼斯?开普勒,1609

近400年前,我们的老朋友开普勒注意到,彗星不管朝着太阳运动还是远离太阳,它的尾巴总是朝向远离太阳的一边。于是他猜测太阳发出的光会产生一种力,将彗尾推开。他是正确的,虽然光产生力这一事实直到1901年才被证明。

好吧,如果阳光能把彗尾推开,那我们为什么不利用它来推动飞船?我们只要在航天器上安装大镜子,要是你愿意的话,叫它太阳帆,就能让阳光照在上面产生推进力,为什么不这么做?答案是,我们可以这么做,不过要产生哪怕稍微大一点的推力,需要的阳光多得可怕。例如,在1天文单位——即地球与太阳的距离——处,1平方千米的太阳帆受到的向外推力共为10牛,约2.2磅。那么,要让太阳帆成为实用的推进系统,你要用很薄的材料来制作它,还要覆盖巨大的区域。假设我们制作了一个面积1平方千米的帆,厚度为0.01毫米(即10微米),大约是厨房垃圾袋厚度的1/4。在这种情况下,帆的质量有10吨,它能在约1年内给自己提供32千米每秒的速度变量。当然,如果帆还拖着与自己等重的有效载荷,速度变量会降到这个数的1/2。尽管如此,要发展实用的推进装置来支持地球和火星之间的运输,10微米厚的太阳帆仍有用武之地。而且,如果能制造厚度1微米的帆,那我们就真能飞起来了……

没人真用过太阳帆推进,但在20世纪70年代,NASA喷气推进实验所曾做过很严肃的研究,考虑在1986年哈雷彗星出现的时候,用太阳帆驱动探测器飞向哈雷。不幸的是,国会没给这个任务拨款,计划付之东流。一些业余组织,如Robert Staehle的世界太空基金会(World Space Foundation)和法国光子动力推进联盟(French Unionpourla Promotiondela Propulsion Photonique)曾制作过太阳帆。他们原本希望在1992年,哥伦布发现新大陆500周年时举行飞向月球的太阳帆竞赛,不过没有找到合适的运载火箭来让他们的太阳帆搭便车进入太空。

太阳帆的确有些技术问题,例如如何无损地折叠、展开、部署就位,如何在太空中控制极薄的材料制成的巨型太阳帆。尽管如此,还是必须说,阻碍太阳帆成为现实的并不是技术上的障碍,而是全世界的航天局都不肯拿出稍微多一点的钱来发展、测试它。我们还是希望火星人能做得更好吧。

磁力帆

阳光并不是太阳对外施力的唯一形式。还有另一种形式,名叫太阳风。

太阳风是等离子、质子和电子的洪流,它们源源不断地从太阳流向四面八方,速度约为500千米每秒。在地球上,我们从未遭遇太阳风,因为地球的电离层保护了我们。

如果是地球电离层阻碍了太阳风,那肯定会产生摩擦,因此最终会产生力。那为什么不在飞船上人工制造一个电离层,利用同样的效应来推进呢?1988年,波音公司的工程师达纳?X德鲁斯(Dana Andrews)和我偶然想到了这个主意,它正合时宜。

1987年,高温超导体被发现了,这正是制造实用性磁力推进设备所必需的,因为低温超导体需要的冷却设备太沉,而普通导体需要的能量又太多。单位面积内太阳风产生的力远小于阳光,但电磁场能覆盖的范围可比实体的太阳帆大得多。达纳和我通力合作,我们列出方程,用计算机模拟如果航天器产生很大的磁场,太阳风会对它有什么影响。得出的结果是:如果实用性的高温超导电缆导电性能可以达到目前最先进的低温超导体(如铌钛合金,NbTi)的水准——约100万安培每平方厘米——那么能做出的磁力帆,或“磁帆”,其推力重量比是10微米厚度太阳帆的100倍。45此外,磁帆不像超薄的太阳帆,它没有部署上的困难。它不是用塑料薄膜做成的,而是结实的电缆,只要一通电,它立刻会在磁力作用下自动“膨胀”成稳定的圆箍形。往线缆中通电需要耗费能量,不过超导线没有电阻,所以一旦电流进入线缆,就不再需要能量来维持了。此外,磁帆还将保护飞船完全免遭太阳耀斑的损害。

磁帆能产生指向远离太阳方向的足够大的力,完全抵消太阳引力,还可以调整电流大小,抵消任意份额的引力。这里我们不讨论太多细节,简单讲就是,这种能力使得和地球一起绕太阳运行的飞船能将自己转移到通往太阳系任何一颗行星的轨道上,只要调节磁帆能量大小就可以了,而且不用消耗哪怕1盎司推进剂。

现在,磁帆还未进入实用阶段,因为它们需要的高温超导电缆还不存在。不过,这个领域的研究一日千里。我认为这样的可能性很大:今后10年或20年内,做出完美磁帆所需的电缆就会进入大规模应用。

核聚变

利用电磁场将特定种类的过热带电粒子束缚在真空容器内,让它们互相碰撞、反应,就可以制造出热核聚变反应堆。由于高能粒子会逐步突破磁力阱,反应容器应该做成特定的最小尺寸以限制粒子的逃逸距离,好让反应发生。有这样的最小尺寸要求,如果需要的功率不大,那核聚变电厂就毫无吸引力;不过在未来,人们对能量的需求将增长几十几百倍,核聚变将成为世界上最便宜的能源。

核聚变反应堆能为社会的持续发展提供能源,还能制造出非常先进的航天器推进系统,尤其是考虑到,在太空中可以免费获得反应所需的任意尺寸的真空环境。氘/氦-3(D/He3)反应表现最佳,因为这种燃料是自然界中发现的所有物质中能量质量比最高的,不过以纯氘(D-D)为燃料的反应效率能达到它的60%,价钱却便宜得多。只要让等离子从磁力阱的一端逸出,然后向逸出的等离子中加入普通氢,最后让混合气体通过磁喷嘴喷向飞船反方向,就能制造出基于受控核聚变的火箭发动机。加的氢越多,推力越大,不过排气速度就越小。如果要飞向火星或外太阳系,排出的气体中普通氢的含量约为99%,排气速度会超过100千米每秒(比冲量1万秒)。如果不加氢,理论上这种核聚变发动机能达到的排气速度高达18000千米每秒(比冲量180万秒);或者这么说吧,如果采用氘/氦-3燃料,排气速度能达到光速的6%,纯氘燃料排气速度能达到光速的4%!虽然对于太阳系内的航行来说,这种纯氘/氦-3或纯氘燃料的火箭推力太小,但它们了不起的排气速度能把去邻近恒星的航行时间控制在100年内。这种核聚变动力恒星际飞船只在加速阶段需要烧燃料,因为可以采用磁帆,靠它与星际等离子体之间产生的阻力来完成减速。最终,使用核聚变推进,去火星的时间尺度可能变成几周而不是几个月,去木星和土星只要几个月而不是几年,去别的太阳系的时间尺度会变成几十年而不是上千年。也许随着地球上核聚变电厂的发展,核聚变航天器推进技术会随之出现,不过反之也很有可能。回想一下,第一个真正实用的蒸汽发动机是用来为蒸汽轮船供能的,而第一个实用的核电厂出现在核潜艇上。它们的发生自有原因。移动的系统不断要求更先进的技术,而静态系统却不这样。对消费者而言,1千瓦就是1千瓦,不管是热核聚变产生的还是烧煤。但是,和其他更低级的技术相比,核聚变动力航天器却有全新、巨大的潜力。因此,核聚变技术初期最强有力的推动者很可能就是航天推进,为了满足那些从事地球-火星贸易的商务人士的需求——他们会希望交通越来越快。

目前,受限于短视的政客造成的预算削减,世界上的核聚变研究项目进展速度慢得像蜗牛。那些政客既没有能力也没有意愿去满足未来的需求。

火星文明的成长会迫使我们解决阻碍核聚变技术发展的问题,从而很可能让技术型社会得以幸存。

参考资料

[1]原文为U.S. Patentand Copyright Office,指美国专利商标局(U.S. Patentand Trademark Office)与美国版权局(U.S. Copyright Office)两个机构。

[2]马赫是表示速度的量词,又叫马赫数。马赫数是飞行的速度和当时飞行的音速之比值,1马赫即1倍音速。

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[小红猪]《赶往火星》连载——火星殖民(下) - 科学松鼠会 - 科学松鼠会
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