人類真的能太空旅行了? NASA工程師提出「近光速0燃料」引擎飛出太陽系

2019-10-19

科學家們一直想走出太陽系,探索遼闊的宇宙。但這沒有想像中那麼簡單,至少在現階段,我們還沒有速度足夠快的推進器。NASA馬歇爾太空飛行中心(MSFC)的工程師David Burns提出了一個設想,他認為可以設計一種不需要燃料、速度接近光速的引擎,來實現太空探索的夢想。

 

 

▼目前所有的火箭都是基於牛頓的第三運動定律來設計的。有一道力施加在火箭上的話,就會有相等的反作用力。所以火箭才能靠燃料來產生推進力,並向前移動。燃料是一個大問題,根據NASA分析,目前火箭只把有效載荷投入低地軌道,每磅的成本就高達1萬美元。

 

將有效載荷送上月球、送到火星,進一步進行太空旅行,需要耗費多少燃料?這簡直無法想像,也是一個大問題。目前跑最遠的NASA「航海家1號」(Voyager 1),猜想要花數萬年時間才能到達距我們最近的恆星系統「南門二」(Alpha Centauri),航行時間太長了!

 

▼太空旅行花費巨大,業界內火箭發射成本相對來說比較低的SpaceX公司,獵鷹9號火箭發射的成本也有6,200萬美元;獵鷹重型火箭發射成本約9,000萬美元,這些錢聽起來很多,但連月球都到不了。

 

 

 

想要探索宇宙,首先要降低成本。科學家一直在努力,想要研發出新型的推進器。他們進行過很多嘗試,比如雷射脈衝火箭引擎、離子引擎等等,希望把成本降低到每磅僅需數百美元。現在離子推進器的研發已經有了很大的進展,只需要少量的推進劑,火箭就能達到很高的速度。

 

▼David Burns提出的設想,是研發一種完全無需燃料,還能產生高速推進力的太空引擎。他給這種引擎取名為「螺旋引擎」,原理是在火箭內來回移動品質,就像一顆來回彈動的球。不過以正常品質的球操作的話,球移動到火箭前部時,火箭會向前移動;球來到火箭後部時,火箭又會後移。這樣來看,就算球來回彈跳,火箭也只會前後擺動。

 

 

 

David Burns想出的解決方法,是使用螺旋狀粒子加速器中的粒子來充當「品質會發生變化的球」。當粒子在加速器中來回移動的時候,只要有足夠的時間,就能達到很快的速度。如果火箭前端的粒子加速到接近光速,後端的粒子速度較慢,根據相對論,火箭的前端比較重,向前的推力就比較大。

 

▼David Burns的這項設計,大概需要長200公尺、直徑12公尺的巨無霸引擎才行,而且產生1牛頓的推力就需要165MW功率。而且只有在零磨擦的環境中,才能達到接近光速的速度。

 

這麼神奇的品質變化球,真的存在嗎?相對論服從牛頓第三定律,也就是說,這在現實世界中幾乎是行不通的。科學家Martin Tajmar表示,這種新型引擎存在一個大問題,那就是所有推進系統都不能在無磨擦環境中運作。

雖然David Burns的設想目前來說不太現實,但這畢竟是一個新思路。也許經過同行評審,會有更多新的想法出現,為太空探索找到新的道路呢~

 

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來源:NASA

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