关于突破摄星计划的三个问题

耗资 1 亿美元的“突破摄星”计划旨在利用激光发射大量芯片大小的探测器，历时约 20 年，抵达半人马座阿尔法星。这项雄心勃勃的计划面临诸多挑战。该项目将如何将太空芯片发射到另一颗恒星？

突破摄星计划执行董事皮特·沃登 (Pete Worden) 和项目科学顾问菲利普·鲁宾 (Philip Lubin) 解答了该项目面临的三大问题。

1亿美元究竟能购买多少星际探索？

一个常见的误解是，突破摄星计划仅花费 1 亿美元就打算将探测器送往半人马座。事实上，最终系统的成本可能与其他大型科学项目（如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机）相当，“约为 100 亿美元”，沃尔登说。

鲁宾说，1 亿美元将用于购买“绝对关键的研发项目”。突破摄星计划已经确定了星际任务将面临的 20 多项重大技术挑战，例如建造每艘重量只有一克左右的航天器、能够在高能激光束下存活数分钟的帆、能够产生和储存大量能量的电力系统，以及能够同时发射并同步发射以产生前所未有的强大光束的激光器，这些光束可以聚焦在数万英里外的微小移动目标上。

加州大学圣巴巴拉分校的实验宇宙学家卢宾表示，该项目目前正处于规划阶段，研究如何使用这 1 亿美元，他之前的研究曾为“突破摄星”计划做出贡献。利用这些初始资金，“我们将建造一个 10 到 100 千瓦级的原型激光阵列、带有成像和其他传感器以及激光通信系统的克级‘星芯片’和原型帆，并探索建造完整系统的诸多技术挑战，”他说。

鲁宾表示，该计划还可以将原型星片搭载到其他人建造和发射的星际任务上，以了解星片在太阳系内任务中的表现。星片的优势在于它们可以批量生产，每艘航天器的成本极低，因此可以部署大量星片。“例如，在正常的星际任务中，一公斤的有效载荷可以携带大约 1,000 块星片，”他说。

初步研究的主要重点是确定项目中成本最高的部分并找出如何降低这些成本。

鲁宾说：“我们不仅指望技术能力随着时间的推移而提高，而且指望某些关键领域的价格在这一过程中大幅下降。”我们希望光子学的进步能够改善激光阵列技术的成本和功率，就像计算机的功率和成本随着时间的推移而得到改善一样。

完成这项基础研究后，该项目将开始研制直径数十米的原型激光阵列，比最终系统小得多，但足以解决最终系统在发射时面临的所有关键挑战。“这将花费大约 10 亿美元——可能是 5 亿美元，也可能是 12 亿美元，”沃登说。有了这个激光发射原型，鲁宾说，“我们可以发射探测器，将它们放置在不同的地球轨道上，并可能将它们送上月球。”

一旦研究人员完成了对原型的广泛测试和试验，他们就可以建造最终系统，即一个面积约为一平方公里的激光阵列。沃登说，原型和最终系统的成本将是巨大的，资金可能来自私人捐助者，也可能来自政府。

在“突破摄星”计划开始星际旅行之前，它可以发射星际任务，探索太阳系的神秘角落。“一个非常有趣的中期任务是将探测器送入近星际空间，测量那里的粒子和场，”沃登说。“目前，对于星际介质的状况，至少存在一个数量级的不确定性。”

突破摄星探测器将如何将报告发回地球？

突破摄星计划目前设想发送克级星片，每个星片使用 1 瓦激光与地球通信。如此微小的激光能有效地将数据传回地球吗？该项目表示，它有一个解决方案。

为了接收来自每个探测器的数据，该项目建议将发射星片的激光阵列用作大型“相控阵”望远镜，其灵敏度足以接收来自每个微型航天器的激光信号。该阵列由许多发射器组成，每个发射器都发射红外或近红外波长。将阵列的每个元素都变成接收器和发射器并不困难。

探测器还可以使用它们所依赖的反射帆作为镜子，帮助聚焦激光以便与地球进行通信。

为了帮助补偿半人马座和其他恒星的眩光，这些眩光可能会淹没来自恒星芯片的光信号，每个探测器将使用一种非常窄带宽的激光器——本质上是一种具有非常独特颜色的光，研究人员将能够将其与天空中所有其他光区分开来。

鲁宾计算出，每个星形芯片可能能够以每秒近 1 千比特的速度将数据直接传回地球。此外，该项目可能采用其他策略来改善数据传输。例如，突破摄星计划不打算只向半人马座发射一个探测器——它可能会一个接一个地发射数千个探测器。“你可以想象一个水桶旅，一个探测器将数据发回另一个探测器，另一个探测器再将数据发回另一个探测器，”鲁宾说。“但这要复杂得多，因为它们都必须找出其他探测器的位置，而不是首选解决方案。”

该项目并不局限于克级探测器——鲁宾为星际飞行制定的路线图表明，“我们在发射探测器的质量、尺寸和能力方面有很大的灵活性，但飞船质量越大，速度就越慢，除非你有更强大的激光器，”鲁宾说。

突破星射的巨型激光阵列不能用作武器吗？

突破射星计划旨在建造一个功率高达 100 千兆瓦的地面激光阵列，当发射探测器前往半人马座时，“释放的能量与今天发射一枚大型火箭所需的能量大致相同”，沃尔登说。建造一门用于轰炸太空目标的巨型激光炮的想法很容易让人联想到汤姆·克兰西式的恐怖分子劫持该阵列进行太空战争的场景。

沃尔登指出，如果激光阵列真的建成，它每天只会发射几分钟，从而限制了它对非预期目标造成伤害的可能性。国际上还将安排安排阵列的活动，使其光束不会穿过任何飞行路径。“我们已经与白宫、美国国家航空航天局和欧洲航天局的人员进行了交谈，不久后还将与世界各地其他几家航天机构的负责人以及国家安全部门的人员进行会谈，”沃尔登说。他补充说，他们可能联系的另一个机构是联合国和平利用外层空间委员会。

目前，激光经常用于和平目的——例如，双子座天文台在夏威夷使用激光来帮助它处理大气对其观测的扭曲影响。在美国，任何向天空发射激光的人都必须首先获得美国空军激光清算所的许可，其他国家也经常与激光清算所协调，这表明它有朝一日也可以帮助处理突破摄星计划的激光。“我个人非常熟悉激光清算所，”退役美国空军准将沃尔登说。

至于担心激光阵列可能被劫持，“你可以想象，如果流氓分子控制了它，它可能会造成很多危害，但如果流氓政权控制了火箭，情况也是如此，”沃登说。“在我们建造它之前，我们肯定会采用国际认可的控制方法，比如可以在最后一刻打开的终止开关。这些控制将类似于目前用于发射大型火箭的控制。”