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美国科学家欲研制接近光速纳米飞船

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庞大的粒子加速器正在探索非常微小的世界,但是类似的技术或许有一天可以促进缝衣针大小的飞船进行远距离飞行,甚至是在恒星系间来往穿梭。通过研究纳米推进器(作用相当于便携式粒子加速器),或许可以在我们的有生之年把微型飞船的速度加速到接近光速,并用它们探索附近的恒星。
  欧洲粒子物理研究所耗资100亿美元建造的大型强子对撞机,其目的是确定宇宙是由什么构成的。这个周长达17英里的机器可以把带电质子的速度加速到接近光速。一旦带电质子达到最高速度,它们就会与目标相撞,发生爆炸,生成奇异物质供科学家研究。有一天这种原子撞击的方法可能会给我们展示更多有关其他宇宙区域是由什么构成的信息。它们或许将引领我们到达那里。
    从20世纪50年代开始,人类发射大量飞船,前去探索我们的太阳系。我们向每一颗行星(其中包括身份可疑的星体,例如冥王星和冥卫一)、太阳、众多卫星、小行星和彗星发射探测器。最近火星车在这颗红色行星上艰难跋涉,人造卫星围绕地球、月球、火星、金星和土星轨道进行科学研究。但是仅有为数不多的几个探测器走出了我们的太阳系,慢吞吞地飞往更加遥远的区域。例如,“旅行者”号探测器的运行速度大约是每小时40000英里,仅相当于光速的0.00006%。
  我们还从没走出庞大的星际空间,探测距离我们最近的恒星——比邻星(Proxima Centauri)。星际空间大的令人难以置信。航天飞机围绕距离地球大约250英里的轨道运行,月球在距离地球大约250000英里的上空飞行。火星距离太阳大约1.4亿英里。而最近的恒星距离地球大约有4.2光年。这意味着从地球发射一束光,它需要用4年多,行进24万亿英里,才能到达距离我们最近的恒星。如果飞船的速度不能达到光速,在一个人的有生之年探索另一颗恒星的目标似乎是不可能实现的。然而事实证明,这个目标实现的可能性显然比听起来更大一些。
  进行星际空间探索的办法是利用可以达到令人难以置信的速度的微型飞船,或称纳米飞船。粒子加速器里的质子之所以能达到接近光速的速度,是因为它们非常小,而且非常轻。与此同理,非常小的无人太空探测器也将非常轻,可以达到接近光速的速度,可以进行星际空间探索。密歇根大学(University of Michigan)的研究人员正在制造纳米发动机,有一天这种发动机将能掀起一场迷你飞船新潮流。
  布莱恩·吉尔斯特(Brian Gilchrist)和他的同事们正在研发利用纳米粒子作为推进材料的推进器。这项研究工作由美国空军资助。这种发动机大部分都是利用微机电系统技术(MEMS),直接在极薄的硅片上雕刻的。这种技术在半导体工业领域应用非常广泛。该发动机的厚度不超过半英寸(1厘米,其中包括燃料),拥有好几万个加速器,可以安装在一个不比邮票大的地方。这些“粘贴”上的推进器可以给微型飞船提供能量,让它们飞到很远的地方。
  这种工艺被称作“纳米粒子场提取推进器(nano-particle field extraction thruster)”。微小的推进器的工作原理跟庞大的粒子加速器的迷你版本非常类似。这种装置利用堆叠在一起的很多微米厚度的“门”,在导电层和绝缘层之间交替运行,产生电场。这些小但强大的电场给一个导电纳米粒子团充电,并给这些粒子加速,把它们发射到太空,生成快速运行的粒子流。
  吉尔斯特说:“在这种情况下,粒子加速器利用电场给带电粒子加速,这些正是现在我们在进行的工作。”由于太空中没有摩擦力,微型飞船经过一次加速,就可以在数年里继续加速。最终达到接近光速的速度,携带着科学仪器飞往其他恒星。然而暂时这种纳米粒子推进器还将继续呆在我们的太阳系里。据吉尔斯特说:“这种技术在距离地球更近的地方有很多实际应用途径。”



1楼2009-07-14 19:29回复
    • 60.53.156.*
    创新,赞!


    2楼2009-07-14 20:35
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      2025-12-06 11:04:35
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      吧主可以把别的都删了,都是百度的检测系统……


      3楼2009-07-15 10:49
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        美国人的话你也敢信,苏联第二归你管。有这样的材料吗?


        5楼2009-07-23 23:21
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          自己找《三体》来看看…………把一个原子加速到可以以光速为单位有多难


          6楼2009-08-14 17:34
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            她这里指的只是接近光速,而不是光速。
            根据相对论,有静止质量的物体运动速度越快,质量越大(质增效应),想进一步加速就越困难,要想加速到光速则需要无限大的能量,这当然是不可能的事情。
            纳米飞船大小在1微米以下,不过生物病毒或小细菌大小,几纳克到十几纳克重,根据相对论计算,以现有的大型加速器能力,加速到光速的90%以上是没有问题的。


            7楼2009-08-18 14:06
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              如果真正意义上的纳米尺度的航天器,如果能不断接受来自恒星的辐射推进,是可以接近光速的!
              质增效应也就这个变换率1-v^2/c^2,在自身没携带任何附加质量的纳米航天器,只有一直接受太阳或人造的辐射,接近光速是理所当然的。


              8楼2009-08-22 20:35
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                这种纳米飞船有一个巨大的缺点就是无法减速。
                因为它在太阳系内部使用巨大的加速器加速至接近光速,飞抵目标恒星系附近后,目标恒星附近不可能有人造的加速器俘获它,并且将它减速。
                这样它只能以接近光速的超高速度掠过目标恒星,拍摄到具有严重蓝移或红移(光线的多普勒效应)和严重相对论效应的扭曲的图像,该图像可以通过图像软件校正还原,但软件也有极限,因此目标恒星附近很多景像的细节我们就搞不清楚了。


                9楼2009-08-22 22:27
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                  2025-12-06 10:58:35
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                  还有一个问题,纳米飞船尺度太小的情况下,尺寸太小的信号发射装置的功率也太小了(即使使用核电池也有限),小功率的信号跨越几光年、十几光年、几百光年乃至更远的超遥远的距离。。。
                  就是放大N的N的N的N的次方倍,也远远不可能从巨大的宇宙背景噪声信号中分辨出来,令人郁闷。


                  10楼2009-08-22 22:35
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                    是这样的,不论航天器是大是小,不论是大如地球,还是像纳米飞船那么小,都同样受到来自恒星的万有引力和光压力,通常情况下,万有引力是远远大于光压力的,如果航天器相对恒星没有一点速度的话,肯定是落向恒星的,这和航天器大小没有关系。
                    如果航天器远离恒星,则万有引力和光压力均根据距离平方反比关系减小,所以万有引力和光压力的大与小和距离也没有关系,开始时万有引力比光压力大的,就一直比光压力大,不管距离恒星是近是远。
                    解决这个问题只有一个办法,就是尽量增加光压力,同时尽量减小万有引力,因为恒星的质量是不变的,所以减小万有引力就是减小航天器的质量,而光压力与航天器的受光面积成正比,所以综合起来就是,航天器必须要尽量轻,同时受光面积要尽量大。大家很容易想到的就是帆,轻薄的帆很轻,同时受光面积大,这就是想利用光压的话必须使用光帆的原因,这个和航天器大小也没有关系。不论是大是小都必须使用光帆,当然小航天器,帆可以小一些。
                    光有帆还不行,如果帆还达不到要求的话,光压力还是低于万有引力的,这里有个指标,叫面密度,就是航天器质量(包括帆和载荷的质量)除以帆的受光面积,显然,面密度越小,即航天器越轻,帆受光面积越大,是越有利于增大光压力和减小万有引力的,是越有利于光压推进的。同时帆面材料还有耐辐射、耐大温差、耐微殒击和一定的结构强度要求,目前光帆材料技术的面密度极限是20克/平方米,而真正能适用的光帆要求的面密度必须小于1克/平方米,所以光帆材料技术方面还有长长的一段路要走。


                    11楼2009-08-22 23:08
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                      就是放大N的N的N的N的次方倍,也远远不可能从巨大的宇宙背景噪声信号中分辨出来,令人郁闷。 
                      =======================================================
                      这样纳米飞船的通讯、导航和测控都成为不可能的事情。


                      12楼2009-08-22 23:15
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                        此外,即使光帆完全达到要求,面密度很小,光压力大于万有引力了,也还有个动力学的问题,如果需要宇宙寿命那么长的时间才能慢慢加速到接近光速的话,显然没有意义了。
                        恒星的星光就有这个问题,即使光帆完全达到要求,离恒星很远时,恒星星光实在太弱太弱了,加速度太小太小了,有时可能需要远远超过宇宙寿命那么长的时间才能慢慢加速到接近光速,显然无意义。
                        所以这里只有使用强激光代替星光,但是激光发散角虽极小,但是对于光年级别的超远距离,目前的激光都不知道发散到多大的空间去了,当然更谈不上推进光帆了。所以这里就必须要发展超小发散角超强激光技术。


                        13楼2009-08-22 23:31
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                          手电的发散角不就更加超级大。。
                          比激光单向性还好的同步辐射不知如何?
                          即使建造一个加速器发射纳米飞船,其减速问题就无法解决,只有希望在超级微小的状态下有量子奇迹什么地。。。
                          实质应用等于无。


                          14楼2009-08-23 22:31
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                            • 220.179.168.*
                            不论现实中把一个原子加速到每秒30W公里有多难,也不论驱动飞船所需能源庞大的超过了人类现有的知识水平多少倍,更不知道在导航这块需要什么样的超级雷达和多么超高速的计算机,也不知道人类是否可以制造出如此结实的人造物体,我就知道~~~~
                            ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~每秒移动1米比每秒移动0.9米更接近光速。
                            ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~哈哈。


                            15楼2009-08-26 18:52
                            回复