在太空中乘「光」破浪的奈米帆船

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《三體》中的故事描述地球人為了與外星文明接觸,提出了「階梯計畫」,試圖利用奈米帆船的技術加速探測器前進。在現實生活中,NASA確實研發了奈米帆船-D(Nanosail-D),希望能利用太陽光進行可控的太空航行。儘管Nanosail-D曾經遭遇失敗,但NASA仍致力於奈米帆船中太陽帆的技術發展。太陽帆利用光子產生的微小推力進行推進,是一種具有潛力的低成本太空探測方式。隨著科技的進步,奈米帆船將帶動對宇宙奧秘的更深入探索,同時開發無汙染、零成本的太陽能源利用潛力。

撰文|黃鼎鈞

在影集《三體》中,地球人希望能透過將探測器加速至光速的1%,藉此縮短與外星文明接觸的時間,並能因此獲得劇中三體人的情報,因此他們提出了「階梯計畫」,在每隔一段時間就引爆安裝在探測器中的核子彈,藉反作用力來逐步加速探測器,由於在劇情中所能獲得的核子彈數量不足,研究人員必須不斷減輕探測器重量,因此求助於奈米專家奧姬 (Auggie),希望能打造奈米帆船來達成目標。回到現實生活中,我們真的有奈米帆船嗎?

 

現實世界中的奈米帆船

美國太空總署 (NASA) 曾研發奈米帆船-D (Nanosail-D),其大小為30×10×10公分立方,體重僅四公斤,目的是要研究「太陽帆」在太空中的應用,也就是要實現利用太陽進行可控的飛行能力,就像在海面上航行的帆船一樣,能透過對氣流的掌握來航行。在2008年8月3日,Nanosail-D被發射至太空,第一階段的火箭在發射在發射2分40秒後被拋棄,由於殘餘的推力仍太大,使它直接啟動程序拋棄了第二階段的火箭,因此整個系統偏離軌道,載具直接墜入太平洋,這一次的任務宣告失敗。後來,科學家利用當時的備用衛星,再次製造了Nanosail-D2,在2010年11月20日成功發射了奈米帆船至太空,但令人捏一把冷汗的是,原定在同年12月3日,Nanosail-D2要離開火箭載體,卻彈跳失敗,但又因不明原因,在一個月之後,2021年1月17日突然開啟,再三日後順利揚帆,科學家總算能收到「太陽風」的訊號。

圖1:奈米帆船在星際中展開太陽帆的示意圖|來源:Wikimedia Commons

 

天空之船

歷史中,第一位有太陽帆概念的人,是近四百年前的天文學家約翰尼斯·克卜勒 (Johannes Kepler),也就是提出三大行星運動定律,開啟科學革命的那個男人。克卜勒觀察到彗星的尾巴會被太陽的「微風」擾動,這現象啟發了他有了「可以製造在天空航行的船隻」這樣的想法。但是克卜勒當時不明白的是,推動太陽帆的方法並不是太陽「風」,是利用太陽「光」的本身,後來科學家逐漸發現光的粒子性,其中最著名的便是愛因斯坦獲得諾貝爾獎的「光電效應」,光子能與電子產生有如撞球之間的碰撞,透過光線照射在物質表面,會使電子從表面釋放,進而對物質產生一股微小的推力,簡言之,太陽帆就是利用太陽光的光子對表面產生的壓力來推動自己在太空中移動。因此,太陽帆的發展能促使太空船在宇宙間航行時不需攜帶太多的燃料,只要在有恆星的地方,便能利用周圍的光線來作為動力源,不僅如此,若再加上太陽能電池的發展,就能在星際航行時透過光線充電,每一顆恆星都像是太空船的加油站一樣。

圖2:示意圖,一艘在太空飛行的帆船,透過太陽光來進行驅動|來源:Microsoft Bing AI image generator

 

到底是平價的太陽帆吸引人,還是高貴昇華的太陽帆令人嚮往?

在《三體》中,科學家們是用「高貴奢華」的方法要使探測器加速至1%的光速,原想藉由釋放一千顆核子彈來推進探測器,在成本考量後,最後只能釋放三百顆核子彈,相比之下,現實生活中的奈米帆船則是追求低成本的星際航行,透過太陽光來驅動帆船前進,畢竟太陽光的使用是免費的。不過《三體》與現實一樣的是,我們都必須設法降低探測器的重量,才能讓太空載體飛的更快,這就必須引入奈米材料,像是先前報導過的奈米纖維或二維材料,都是具有潛力的材料,能進一步微縮系統的大小及重量。目前,NASA準備於2024年4月24日於紐西蘭再次揚起太陽帆,這一次的太陽帆完全展開後,面積可達17,780平方英尺,厚度僅僅只有2微米,比人類的頭髮更為細小,且表面塗有含鋁的聚合材料來增強對太陽光的反射。這一次的任務是要測試新型太陽帆系統是否能順利的僅靠太陽光實現軌道升降。

圖3:太陽帆示意圖|來源:Wikimedia Commons

奈米帆船中的太陽帆不僅有機會使我們更加認識宇宙,使探索的工作能抵達更遙遠的地方,也帶動了人們能更進一步的利用無汙染、零成本的太陽能源。期盼在科技的發展之下,我們都能更認識浩瀚宇宙之中的奧祕。

 


參考文獻:

  1. Alhorn, D., Casas, J., Agasid, E., Adams, C., Laue, G., Kitts, C., & O’Brien, S., 2011, Nanosail-d: The small satellite that could!.
  2. Johnson, L., Whorton, M., Heaton, A., Pinson, R., Laue, G., & Adams, C., 2011, NanoSail-D: A solar sail demonstration mission., Acta astronautica, 68(5-6), 571-575.
  3. NASA to hoist its sail: Solar sail mission gets ready for launch by Abby Tabor, NASA

 


✨延伸閱讀:《《三體》中的奈米先為真的存在嗎?

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