这些新技术可能让星际旅行成为现实

1936年10月31日，六名被称为“火箭男孩”的年轻爱好者，为了摆脱地球引力，差点将自己烧毁。这个团队躲在加州圣加布里埃尔山脉的山麓地带的一个沟里，测试一个小型酒精燃料喷气发动机。当时，人们普遍嘲笑火箭进入太空的想法，但他们想证明火箭发动机可以进入太空。这个目标被一个着火并疯狂摆动的氧气管线打断了，火苗四溅。

“火箭男孩”的胆识引起了空气动力学家西奥多·冯·卡门（Theodore von Karman）的注意，他当时已经在加州理工学院与他们中的两人共事。在他进行火灾事故现场不远的地方，他建立了一个小型测试区，让“火箭男孩”恢复了实验。1943年，这个地方成为了喷气推进实验室（JPL），冯·卡门是它的第一任主任。JPL后来发展成为一个拥有数千名员工的庞大NASA基地，但它仍然保留了其创立的宗旨：测试探索的极限，蔑视陈规。

多年来，他们取得了许多成就。20世纪70年代初，JPL的工程师建造了先驱者10号（Pioneer 10），这是第一艘达到太阳系逃逸速度的航天器。几年后，他们又推出了旅行者1号和2号（Voyagers 1 and 2），它们是飞向星际空间最快的航天器。从太空时代开始到旅行者号探测器发射——仅仅跨越了二十年——火箭科学家们将飞行速度提高了一倍多。但在此后的几十年里，只有一艘航天器紧随旅行者号离开了太阳系，并且没有任何一艘达到如此高的速度。现在，JPL的火箭科学家们又开始感到不安，并悄悄地策划着下一次伟大的飞跃。

这些新努力的一致主题是：太阳系已经不够用了。是时候 venturing beyond the known planets, on toward the stars（超越已知行星，朝向群星）。JPL的飞行工程师John Brophy正在开发一种新型发动机，可以将太空旅行的速度提高十倍。JPL的任务架构师Leon Alkalai正在规划一次遥远的旅程，这次旅程将以一次不太可能实现的、像伊卡洛斯一样危险地冲向太阳开始。而JPL的研究科学家Slava Turyshev可能拥有最疯狂的想法，他设想一个太空望远镜，可以在不真正前往的情况下，近距离观察一颗遥远的类地行星。

这些都是“长射”（long shots）（according to Brophy，并非完全疯狂），但即使其中一个成功了，其影响也将是巨大的。“火箭男孩”及其同类帮助人类开启了太空航行时代。JPL的这一代人可能就是将我们带入星际时代的人。

火箭反应

对Brophy来说，灵感来自于Breakthrough Starshot。这是一个由已故斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳（Yuri Milner）于2016年宣布的、极具冒险精神的项目。该项目的最终目标是建造一个一英里宽的激光阵列，能够将微型航天器加速到光速的20%，使其能够在短短二十年内到达半人马座阿尔法星系（我们最近的恒星邻居）。

Brophy起初持怀疑态度，但很感兴趣。远大的抱负对他来说并不新鲜。“JPL鼓励人们跳出思维定势，我的疯狂想法随着时间的推移变得越来越疯狂，”他说。即使按他自己的标准，Starshot的概念也显得有些脱离技术现实。但他确实开始思考，是否能采用相同的概念，但将其缩小，使其在我们的有生之年成为可能。

Brophy特别着迷于利用Starshot风格的激光束来解决“火箭方程”（rocket equation）的想法，该方程将航天器的运动与它携带的推进剂量联系起来。火箭方程以其残酷的逻辑困扰着每一个有志于太空探索的人。如果你想更快，你需要更多的燃料，但更多的燃料会增加质量。更多的质量意味着你需要更多的燃料来携带额外的重量。燃料使整个东西更重，如此循环。这就是为什么用140万磅的火箭来发射1800磅的旅行者号探测器：起始重量几乎全部是燃料。

自1970年代末作为研究生以来，Brophy一直在开发一种效率高得多的火箭技术，称为离子推进。离子发动机使用电能将带正电的原子（称为离子）高速喷射出推进器。每个原子提供的推力都很小，但集体起来可以比传统的化学火箭将火箭推向更高的速度。更好的是，运行离子发动机所需的动力可以来自太阳能电池板——无需携带沉重的车载燃料箱或发电机。通过用更少的推进剂获得更高的速度，离子推进在很大程度上解决了火箭方程的问题。

但是离子发动机也有其自身的缺点。它们离太阳越远，其太阳能电池板产生的电量就越有限。你可以制造巨大的太阳能电池板，但这会增加很多重量，火箭方程会再次让你受挫。而且离子发动机的推力非常柔和，它们无法自行起飞；然后它们需要很长时间在太空中加速到创纪录的速度。Brophy很清楚这些问题：他帮助设计了NASA的黎明号（Dawn）航天器上的离子发动机，该航天器刚刚完成了为期11年、探索小行星灶神星（Vesta）和矮行星谷神星（Ceres）的任务。即使有其强大的65英尺跨度的太阳能电池阵列，黎明号也用了不紧不慢的四天时间从零加速到60英里/小时。

离子是奖品

当Brophy思考效率高的发动机和不足的太阳能之间的僵局时，Breakthrough Starshot概念出现了，这在他的脑海里开始转动。他想知道：如果用一个高强度激光束代替阳光照射到你的航天器上呢？由更高效的激光提供动力，你的离子发动机可以更强劲地运行，同时通过不必携带自己的动力源来节省重量。

在他顿悟两年后，Brophy正在JPL的一个SUV大小的测试舱里向我展示，他正在那里测试一台高性能离子发动机。他的原型机使用锂离子，它们比黎明号使用的氙离子轻得多，因此需要更少的能量来达到更高的速度。它还以6000伏的电压运行，而黎明号是1000伏。“如果你有激光为它供电，它的性能会非常惊人，”他说。

只有一个小问题：激光不存在。尽管他大幅缩小了Starshot的概念，Brophy仍然设想一个100兆瓦的太空基激光系统，其功率是国际空间站的1000倍，精确地瞄准一个快速退去的航天器。“我们不确定如何做到这一点，”他承认。这将是迄今为止规模最大的太空工程项目。一旦建成，该阵列可以与不同的任务重复使用，作为多用途火箭助推器。

Brophy举例说，他设想了一艘锂离子动力航天器，拥有300英尺长的光伏面板翼，为他在JPL开发的发动机的完整版本提供动力。激光将以比阳光亮一百倍的光照射到面板上，使离子发动机从地球运行到冥王星，约40亿英里。然后，航天器可以利用其相当大的速度滑行，每隔一两年再增加40亿英里。

以这个速度，航天器可以快速探索彗星起源的昏暗区域，或者出发前往尚未发现的第九行星，或者……几乎可以去太阳系任何地方。

“就像我们有一个闪亮的新锤子，所以我到处找新的钉子去敲，”Brophy梦幻般地说。“如果你能快速飞行，我们可以做一长串的任务。”

星际介质的深井

在Brophy温和的兴奋之后，与JPL工程与科学部门新任务负责人Alkalai交谈，却带来了一阵冲击。他坐在宽敞的玻璃办公室里，看起来是一位一丝不苟的管理者，但他也有着探索的愿景。

和Brophy一样，Alkalai认为Breakthrough Starshot的人们有远见，但耐心不够。“我们离设计一项前往另一个恒星的任务的技术水平还有很长的路要走，”他说。“所以我们需要从走小步开始。”

Alkalai心中有一个具体的步骤。虽然我们还不能访问另一颗恒星，但我们可以派遣一个探测器去采样星际介质，即恒星之间流动的稀薄气体和尘埃。

“我非常想了解太阳系以外的物质。最终，我们就是从那里诞生的。生命起源于那些原始的尘埃云，”Alkalai说。“我们知道其中存在有机物质，但是什么类型？含量如何？是否存在水分子？了解这些将是巨大的。”

星际介质之所以仍然不为人所知，是因为我们无法触摸到它：来自太阳的持续粒子流——太阳风——将其远远推离地球。但如果我们能到达太阳影响范围之外，达到200亿英里（约是地球到太阳距离的200倍）的距离，我们就能第一次真正检查来自我们银河系的原始样本。

Alkalai想要答案，他想亲眼看到结果。他已经60岁了，所以这设定了一个积极的时间表——没有时间等待巨大的太空激光。相反，他提出了一种简单但尚未被证明的技术，称为太阳能热火箭。它将携带大量冷液氢，以某种方式使其免受太阳热量的影响，并执行一次惊人的俯冲，进入距离太阳表面约100万英里的地方。在最近距离，火箭可能会通过抛弃一个防护罩，让强烈的太阳热量涌入。太阳的能量会迅速汽化氢，使其从火箭喷管中喷射而出。喷射出的氢气产生的联合推力，以及太阳自身引力的助力，将使飞船以每秒60英里的速度开始其星际旅程，这比任何人类物体都快——而且之后速度还会更快。

“这极具挑战性，但我们现在正在模拟物理过程，”Alkalai说。他希望今年开始测试热火箭系统的部件，然后将他的概念发展成一个现实的任务，可能在未来十年左右发射。在此十年之后，它将到达星际介质。除了采样我们的银河系环境，这样的探测器还可以研究太阳如何与星际介质相互作用，研究太阳系中的尘埃结构，并可能顺道访问一颗遥远的矮行星。

Alkalai说，这将是一次“前所未有的”旅程。

捕捉一瞥

太阳能热火箭和激光离子发动机，尽管令人印象深刻，但对于跨越我们太阳系和系外行星（绕其他恒星运行的行星）之间巨大的鸿沟来说，仍然是极其不足的。本着“火箭男孩”的精神，Turyshev并没有让这种荒谬阻止他。他正在开发一种巧妙的解决方案：一次*虚拟*的星际任务。

Turyshev告诉我，他想将一个太空望远镜发送到一个被称为太阳引力透镜（SGL）的区域。该区域从令人望而生畏的500亿英里远处开始，尽管这仍然比我们最近的恒星邻居近数百倍。一旦进入SGL足够远的地方，就会发生一些奇妙的事情。当你回头望向太阳时，它后面任何直接的物体都会被拉伸成一个环，并被极大地放大。这个环是我们恒星强大引力的结果，它像透镜一样扭曲空间，改变远处物体光线的 appearance。

如果你在SGL中的位置正确，被太阳后面放大的物体可能就是一颗令人着迷的系外行星。Turyshev解释说，漂浮在SGL中的太空望远镜就可以通过在光环的不同部分采样，并将弯曲的光线片段重组成目标行星的百万像素快照。

我不得不打断他。他说的是百万像素，就像你的手机相机上的分辨率吗？是的，他确实在谈论一个1000x1000像素的图像，足以看到100光年（600万亿英里！）外行星上小于10英里的细节。

“我们可以看到云层之下，看到大陆。我们可以看到天气模式和地形，这非常令人兴奋，”Turyshev说。他没有提到，但也不需要：这种分辨率还可以揭示巨型城市或其他巨大的人工结构，如果它们存在的话。

假设JPL的专家能够解决到达SGL的交通问题，那么任务本身相对直接，尽管极其艰巨。Turyshev和他的合作者（包括Alkalai）需要开发一个哈勃大小的太空望远镜，

或者一个小型望远镜舰队，能够承受30年的旅程。他们需要完善一个能够在家乡无需指导下运行的板载人工智能。最重要的是，他们需要一个目标——一个足够有趣的行星，能够让人们愿意花费数十年和数十亿美元进行研究。NASA的TESS太空望远镜目前正在进行一些侦察工作，扫描附近恒星周围的类地行星。

“最终，要看到系外行星上的生命，我们将不得不去拜访。但引力透镜任务可以让你在几十年甚至几个世纪前研究潜在的目标，”Turyshev愉快地说。

一次前往SGL的旅程将超越Alkalai的小步，真正走上星际探索的道路。这是另一个大胆的目标，但至少这次着火的可能性要小得多。

Corey S. Powell，《Discover》杂志的特约编辑，也为该杂志的Out There博客撰稿。请在Twitter上关注他：@coreyspowell。本文最初刊载于印刷版，标题为“Boldly Go”。