20年到達距太陽最近的恆星，「光帆」會是星際航行的新希望嗎？

來自專欄 DeepTech深科技

宇宙之浩大超乎想像。因此，人類長久以來一直只能在自己的「一畝三分地」太陽系內探索。在現有的火箭技術下，即使是去距太陽最近的恆星——比鄰星，搭乘航天器也需要 12000 年才能抵達。

2016 年，「突破攝星」計劃（Breakthrough Starshot initiative，由霍金與俄羅斯億萬富翁、互聯網投資人米爾納等人聯合啟動）提出通過另一種方式來實現星際航行：在地球上發射大量的激光束來驅動一隊體積微小、質量超輕的太空探測器。這些探測器將由光帆來運載，而光帆則由能夠反射光子的材料製成，通過反射產生的反作用力牽引航天器。

用這種方式，探測器可以以光速的 20% ——超過 2 億公里每小時的速度飛行，這樣到達比鄰星只需 20 年。探測器將在比鄰星的星系遨遊，把「另一個地球」——行星比鄰星 b（Proxima b）的照片傳送「回家」。

那麼，光帆航行究竟是否可靠？在新一期的《自然·材料》雜誌上，美國科學家發表了關於光帆設計的論文。在論文中，加州理工學院材料科學家 Harry Atwater 和他的團隊討論了光帆航行的可行性。

他們首先考慮了能夠讓光帆在星際間高速飛行的設計要求。

Atwater 指出：「光帆必須超輕（在質量上僅有幾克，或更輕），面積很大（幾平方米）， 而且必須能夠完全反射特定波長的光。」

否則光帆哪怕吸收了強激光的一點點能量，它也會因此而過熱氣化。

他們團隊隨後權衡比較了許多材料，來尋找能滿足如此嚴苛光學、機械和熱學性能要求的設計方案。最終他們建議可以使用納米光子結構，比如二維的光子晶體和超表面。這種人造的超材料結構得益於其精密的幾何結構和尺寸，能讓光（電磁波）改變他們的通常性質。這種（納米光子）結構的尺寸應與所使用激光的波長接近。

Atwater 建議，現有的生產集成電路材料薄膜的技術可以被改造，「放大尺寸」來生產光帆材料。他說，這個技術改造過程可能需要長達十年甚至更久的研究。

即使光帆技術已經實現了，後面也會有許多的技術難題需要攻關。攝星團隊此前已將大部分難題在網上公開。

比如，如何讓高速飛行器免於被星際塵埃撞毀？我們如何產生大規模激光束來驅動光帆？

許多航天科學家對項目的可行性是表示質疑的。紐西蘭航天科技中心的 Duncan Steel 發問：「你怎麼可能設計出一個不但能將信號傳回四光年外，還可以被安裝在亞克級（sub-gram，一克以內）總質量的晶元或飛船上的拍照和通訊模塊呢？」

「即使這些超級技術難題能夠被解決，項目的花銷也將是天文數字」， 悉尼科技大學研究者 Jonanthan Marshall 表示。他沒有涉足該項目。

Marshall ：「他們（突破攝星團隊）希望整個項目能用二十年從地球到達比鄰星，再用二十年來搭建和測試『樣船』。不過鑒於這個項目是由私人投資者出資支持的，但願他們能夠從這些投資者處持續獲得項目經費。」

儘管未來充滿不確定性，這樣的研究仍然將未來星際航行向前推進了堅實的一步。

Steel 說：「沒有人真的認為我們可以在近期進行項目的任何嘗試，項目願景距離我們依舊遙遠。但我們的目的是藉此引發（學界）相關的思考和研究。」

Atwater 也對項目成功有著理性的預期：「科研就是這樣：永遠都有失敗的風險，但是對於探索者來說除此之外無路可選。」