一眨眼间！在不远的将来，科技可能带我们遨游宇宙

简介：利用核聚变产生的能量作为驱动力可大大提高星际旅行的速度。

在探索太空时，光速是一个很大的限制。光速是指光在真空中传播的速度，精确地说是每秒186,282英里(29,972,458米每秒，或300,000公里每秒)。光速是不变的。据人类目前所知，没有什么能超过光速。以每秒300,000公里的速度运动可能看起来很快，但与巨大的宇宙空间相比，这和在糖浆中跋涉没什么区别。

为了对光的速度有更好的了解，下面一些有趣的知识会帮助我们理解光速有多么快。月球距离地球大约238,855英里(384,400公里);光从地球来回一趟大约需要2.51秒。到达火星需要3分2秒，往返则是是6分4秒。一束光到达冥王星需要4.6个小时，返回又需要4.6个小时。最后，如果以光速穿行，要用4.24年才能到达离地球最近的半人马座阿尔法星b，而这已经是最快的速度了。

太慢了！

不幸的是，技术还没有发展到可以把装有宇航员的宇宙飞船以光速推动来穿越太空。假如我们的科技允许我们这样做，宇航员将以一种奇怪的方式体验时间;对宇航员来说，他们体会的时间的流动速度似乎以与地球上不同。比如，在飞船上以99%的光速旅行5年的时间相当于地球上的大约50年。然而，爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，在人类能够实现光速旅行之前，还需要克服一些障碍。

一个物体一旦达到光速，它的质量就变成无限大。为了推动这个无限重的物体自然需要无限的能量。这条宇宙法则有效地限制了物体移动的速度。为了创造出一个可以以光速或更快速度运行的物体，我们需要改变物理定律才能实现。

科技前沿

世界上一些顶尖的天体物理学家一直在研究如何解决这个问题，他们提出了许多不同的理论引擎和推进剂，而这些引擎和推进剂可能驱动物体以光速运动。最有希望的一个设备是利用核聚变能源来大幅减少旅行时间。参与该项目的物理学家估计，这种科技可以将到达泰坦——太阳系中最有趣的地方之一 (距离地球大约10亿英里)——的旅行时间缩短至两年！

这个概念性的技术叫做直接聚变驱动(Direct Fusion Drive, DFD)。这个技术依赖于一个类似太阳内部核聚变的反应所产生的能量来驱动物体。科学家们已经开始想办法利用核反应的热能和能量副产品来发电。据说，科学家们即将发布首个商用聚变反应堆。

长期以来，核聚变动力一直是天体物理学家和致力于开发太空飞行技术的工程师们的研究热点。聚变反应堆的本质是利用两个较轻的原子结合成一个较重的原子核所释放的能量，而这一过程在恒星中心不断进行。这个科技好比将氢弹爆炸的巨大能量以某种形式保存起来——而氢弹的动力则来自于将氢的同位素在极高的温度下聚合在一起，形成氦，并利用这个过程中产生的巨大能量推动你穿越太空。这很令人激动对吧！

当然，这个世界不是由核聚变反应堆供电是有原因的。它们是一种理想的能源，因为理论上核聚变反应堆比核裂变反应堆更稳定，所以发生像切尔诺贝利和福岛核灾难那样熔毁的风险更小。其次，核聚变反应堆也不产生核废料或有毒的副产品。但是核聚变反应带来的问题也十分棘手。为了使反应开始，我们需要将氢加热到超过太阳核心6倍的温度，也就是1亿摄氏度。这十分的热，所以建造反应堆的材料要在高温等离子体(一种电离气体组成的积极的离子和自由电子在非常高的温度)的极高温度和压力的摧残下保持坚挺数个月。这对建材提出了巨大挑战。

直接聚变装置

但是并非所有的希望都破灭了。物理学家们现在正在研究曾经被认为几乎不可能实现的东西:直接聚变驱动(DFD)。事实上，普林斯顿等离子体物理实验室的科学家们一直在研究一种可能将到达泰坦星（可以说是土星最有趣的卫星）的旅行时间缩短至短短两年。这种装置被称为普林斯顿反转场装置-2反应堆(Princeton Field Reversed Configuration-2 Reactor)。研究人员希望它有一天能成为发射卫星和探测器到太空的主要设备，并且背负起载着人类穿越太空的重担。

普林斯顿等离子体物理实验室(Princeton plasma Physics Laboratory)的开发研究人员2019年表示:“DFD采用了一种独特的等离子体加热系统来实现1到10兆瓦范围内的核聚变引擎。这种引擎对于人类太阳系探索、机器人太阳系任务，和星际任务来说是最适合的。”

2020年10月的新闻稿中写道:“发动机本身利用了无中子聚变的许多优点，其中最显著的是极高的功率重量比。”“DFD驱动的燃料质量可以略微变化，并含有氘和氦-3同位素。从本质上讲，DFD采用了电力推进系统的优良比冲量，并将其与化学火箭的优良推力相结合，从而融合了两种飞行系统的优点。”

反转场装置反应堆（FRC Reactor）采用线性螺线管、磁线圈阵列来限制等离子体，并可以在比其他设计所允许的更高等离子体压力下工作，进而在给定磁场强度下提供比其他磁约束等离子体设备更高的聚变功率密度。

一般来说，核聚变系统被认为是星际任务的最佳选择，因为它们使用氢作为燃料，而氢恰好是宇宙中最丰富的元素，所以飞船不需要大量的气体来补充燃料。这对探测器来说也很有用。不幸的是，以目前的技术，地球和土星之间的20亿英里距离，探测器大约需要7年时间才能到达。著名卡西尼-惠更斯号探测器于1997年发射升空，在2004年抵达目的地——时速42500英里每小时(68397公里每小时)，其遇到的温度在130摄氏度和-210摄氏度之间。新视野号的第一个任务是冥王星，而它花了近10年时间完成了这段旅途。

有趣的是，对天文学家来说，在发射探测器时考虑行星的排列是很重要的。例如，卡西尼-惠更斯号探测器是在金星相对接近地球的一段时间内发射的。它从地球到金星，再回到地球，再到木星，然后是土星。每经过一次行星，探测器都能从每颗行星获得一点引力的帮助，这就增加了卡西尼号的速度。

为了绘制到土星最大卫星的最佳路线，意大利团队与普林斯顿等离子体物理实验室的DFD开发人员合作，并获准访问测试引擎的性能数据。然后，他们提取了一些关于行星排列的数据，并开始研究轨道力学。他们研究出了两种不同的可能路径，一种是只在旅程的开始和结束时施加恒定的推力，另一种是推力在整个旅程中保持恒定。”

这两种方案都需要转换推力方向，以使飞船减速，进入土星系统。如果提供恒定的推力，这段旅程将不到两年，而只在旅程开始和结束施加推力可以将比卡西尼号大得多的航天器的总旅程时间缩短至2.6年。这两种路径都不需要引力的帮助，而前往外行星的航天器经常受益于引力的帮助。”

如果这个设备没有成功，还有其他几个设备正在研发中，但这仍然是最有前景的想法之一。然而，由于下一个前往土卫六的理想窗口期在2046年，研究人员有大约30年的时间来完善DFD技术。

原文链接：https://www.toutiao.com/article/7062909095572996621