用激光推進(jìn)飛船，如何？

菲利普·魯賓

在一項(xiàng)星際任務(wù)中，幾乎所有的開(kāi)發(fā)成本都集中在建設(shè)定向能發(fā)射系統(tǒng)上。探測(cè)器本身是一些綁定在反射板上的小型設(shè)備，建造成本相對(duì)低廉，發(fā)射100個(gè)探測(cè)器幾乎與發(fā)射一個(gè)探測(cè)器的成本相當(dāng)。我們甚至可以建造數(shù)以百萬(wàn)計(jì)不同質(zhì)量的探測(cè)器，可以是蘋(píng)果手機(jī)尺寸但更薄的“晶圓”飛船，也可以是更大的探測(cè)器，但它們均攜帶復(fù)雜的照相機(jī)、傳感器和一個(gè)由小型放射性同位素?zé)犭娛桨l(fā)電機(jī)（RTG）提供動(dòng)力的激光通信系統(tǒng)。這個(gè)RTG類(lèi)似于已經(jīng)飛越冥王星的“新地平

線”探測(cè)器上裝載的設(shè)備。這些探測(cè)器會(huì)存儲(chǔ)突發(fā)通信之間的能量，并在抵達(dá)目標(biāo)星體時(shí)從太陽(yáng)能電池中獲取額外的動(dòng)力。

最小型和最具挑戰(zhàn)性的探測(cè)器是“晶圓”宇宙飛船，它需要裝載微型加速度計(jì)和陀螺儀、星體跟蹤器、進(jìn)行姿態(tài)控制的光子推進(jìn)器、計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)、磁場(chǎng)和輻射傳感器、粉塵傳感器、光譜儀和核心的激光通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)將使用一個(gè)芯片級(jí)激光二極管和數(shù)瓦爆發(fā)力的數(shù)據(jù)編碼系統(tǒng)，可以通過(guò)反射驅(qū)動(dòng)探測(cè)器反射板的激光光束，將數(shù)據(jù)發(fā)送回地球。返回之后，用于推動(dòng)“晶圓”探測(cè)器的激光相控陣列將反向作為一個(gè)相控陣列望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行，以接收來(lái)自星際旅行者的微弱的激光信號(hào)。定向能推進(jìn)陣列之后，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可能是目前最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

一旦我們掌握了定向能推進(jìn)技術(shù)，就會(huì)看到一系列驚人的事情發(fā)生。激光陣列技術(shù)具有模塊化和可擴(kuò)展的特征，我們可以將尺寸更大、更強(qiáng)的系統(tǒng)發(fā)送至附近的星體。通過(guò)高數(shù)據(jù)速率的激光通信與地球相互聯(lián)系，它將可以實(shí)現(xiàn)到太陽(yáng)系中任何目的地的快速旅行。激光能量聚焦光束可以使任何危險(xiǎn)的近地天體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如小行星和彗星，進(jìn)而保護(hù)我們的地球。作為一個(gè)遙感探測(cè)器，激光陣列可以確定太陽(yáng)系中遙遠(yuǎn)物體的構(gòu)成。在天文學(xué)和宇宙學(xué)的專(zhuān)題研究中，相同的基本技術(shù)可以應(yīng)用到尺寸更大、精度更高的相控陣列望遠(yuǎn)鏡上。如果需要，我們甚至可以向潛在的外星文明發(fā)送信息，這個(gè)信息在整個(gè)可見(jiàn)宇宙均可檢測(cè)得到。更重要的是，其他智能生命也可能會(huì)做類(lèi)似的事情，進(jìn)而使我們能夠發(fā)現(xiàn)他們。

我們不再受限于化學(xué)火箭技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)自幾個(gè)世紀(jì)前出現(xiàn)以來(lái)沒(méi)有太大的進(jìn)展。定向能光子推進(jìn)系統(tǒng)僅受限于光速。由于宇宙飛船的主推進(jìn)系統(tǒng)并不在飛船上，所以可以極度微型化。一個(gè)單光子驅(qū)動(dòng)器幾乎可以驅(qū)動(dòng)無(wú)限數(shù)量的探測(cè)器，所以每次發(fā)射的成本可能會(huì)大大減少。我們的主要太空任務(wù)無(wú)須等待幾年甚至幾十年。

雖然現(xiàn)在只有少數(shù)人看好定向能技術(shù)，但它正在迅速發(fā)展。激光系統(tǒng)的功率輸出和同步與并行處理能力大約每18個(gè)月翻一番，其節(jié)奏與改變半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的摩爾定律相似。按照這個(gè)速度，未來(lái)的幾十年里此項(xiàng)技術(shù)會(huì)得到極大提高。根據(jù)目前的概念，最快的星際探測(cè)器用以飛越任務(wù)；在更遠(yuǎn)的將來(lái)，一個(gè)星際運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)可以在火星等目的地使用另一個(gè)減速激光陣列，進(jìn)而兩站之間可以源源不斷地來(lái)回運(yùn)輸乘客和貨物。

看上去簡(jiǎn)直令人難以置信。我們有一天會(huì)直接看到我們附近行星的圖片，也許會(huì)看到將被我們后人殖民的土地。我們需要建立更大、更強(qiáng)的激光陣列，了解相關(guān)的問(wèn)題，并把這些知識(shí)應(yīng)用到下一代系統(tǒng)，直到達(dá)到我們的目標(biāo)。同時(shí)，我們需要開(kāi)發(fā)“晶圓”級(jí)別的航天器，輕量級(jí)的反射板和激光通信系統(tǒng)。這將花費(fèi)數(shù)十億美元。不過(guò)，我們每年在太空探索上的花費(fèi)至少也有數(shù)十億美元，更不用說(shuō)花費(fèi)數(shù)千億美元的國(guó)防和技術(shù)開(kāi)發(fā)。

我們公布的星際飛行“路線圖”指明了方向?！巴黄茢z星”計(jì)劃讓我們開(kāi)始研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。我想，我們一定可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，而且現(xiàn)在就可以開(kāi)始行動(dòng)了。

延伸閱讀

摩爾定律是由英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登？摩爾于1965年提出來(lái)的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，每隔18個(gè)月至24個(gè)月便會(huì)增加1倍，性能也將提升1倍。換言之，每1美元所能買(mǎi)到的電腦性能，將每隔18個(gè)月至24個(gè)月翻1倍以上。

摩爾定律歸納了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。在摩爾定律應(yīng)用的40多年里，計(jì)算機(jī)從神秘不可接近的龐然大物變成多數(shù)人都不可或缺的工具，信息技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入無(wú)數(shù)個(gè)普通家庭，因特網(wǎng)將全世界聯(lián)系起來(lái)，多媒體視聽(tīng)設(shè)備豐富著每個(gè)人的生活。

摩爾定律對(duì)整個(gè)世界意義深遠(yuǎn)。在回顧40多年來(lái)半導(dǎo)體芯片業(yè)的進(jìn)展并展望其未來(lái)時(shí)，信息技術(shù)專(zhuān)家認(rèn)為，在以后摩爾定律可能還會(huì)適用。但隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一定律終將走到盡頭。40多年中，半導(dǎo)體芯片的集成化趨勢(shì)一如摩爾的預(yù)測(cè)，推動(dòng)了整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而給千家萬(wàn)戶(hù)的生活帶來(lái)變化。