未来有望实现的几项太空科技,第四项将引领人类迈向遥远宇宙
#秋日生活打卡季#每年的10月4日至10日是世界太空周,今年的主题是太空科技如何帮助我们应对地球上的气候变化。然而,除了关注地球,我们也不妨展望一下未来太空科技可能带给我们的无限可能。本文将介绍四项未来的太空科技,探讨它们所面临的挑战,并给出一些实现的时间预估。
2040s-2050s: 太空太阳能农场
目前,太阳能提供了全球电力供应的5%左右,但在未来,我们可以做得更好。太空是获取太阳能的最佳场所,没有云层和大气的干扰,一系列巨大的太阳能板可以直接接收太阳的能量。然而,如何建造如此庞大的太空阵列,以及如何将收集的太阳能传输到地球,都是巨大挑战。
太空太阳能发电设想
2023年1月,加州理工学院的太空太阳能示范器发射进入地球轨道,其中的MAPLE仪器成功地将太阳能转换为微波,并将其传输到地面接收站,转换为电力。虽然目前的功率只是微瓦级别,但这已经是一个令人兴奋的概念验证。
未来,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)正在与商业伙伴合作,希望建立一个能产生一千兆瓦能量并将其传输到地球的太阳能农场。然而,这需要一个巨大的太阳能板阵列,直径数公里,质量达一万吨。这对于工程技术来说是一个巨大的挑战。
太阳能发电系统设想
如果太阳能农场能够建成,它将被放置在离地球35,786公里的地球同步轨道上。挑战在于如何保持微波束的精确定位,避免误伤。然而,尽管激光相比微波更易于瞄准,但激光能量会被大气中的水汽吸收或被云层阻挡,而微波则能自由穿透这些障碍。
21世纪下半叶: 太空电梯
太空电梯枢纽站设想图
太空电梯是一个古老的科幻概念,由俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基首先提出。其基本设计是从地球赤道附近延伸一根厚重的缆绳直达太空。这根缆绳需要承受巨大的应力和拉力,需要比钢强50倍的材料,只有碳纳米管具备这样的强度。
然而,目前最长的碳纳米管只有14厘米,与需要的100,000公里相差甚远。假设未来能找到制造更长碳纳米管的方法,设计阶段可能需要5到10年时间。缆绳会从地球同步轨道向下延伸,最终固定在地面,整个过程可能需要一年时间。
在等待碳纳米管技术成熟的同时,有科学家提出可以利用现有技术在月球建造太空电梯。由于月球的自转速度较慢且重力较低,碳聚合物即可胜任。这个概念被称为“太空线”,它将是一个总质量为40吨的细线,从月球表面垂向地球,停在地球同步轨道附近。未来,任务将先发射到地球同步轨道,再与太空线对接,减少三分之一的燃料消耗。
2030s: 月球上的核能发电
月球与地球潮汐锁定,意味着我们总是看到月球的同一面。月球自转一圈需27天,这意味着月球大部分地区每两周白天和夜晚交替一次。为了在月球上建立基地,太阳能并非最佳选择,因此需要寻找替代能源。
月球核能发电设想图
目前,各国正在竞相开发月球核裂变反应堆。NASA和美国能源部已选择了三项设计提案,目标是在未来的阿尔忒弥斯任务中生产40千瓦的电力,能在月球表面运行至少10年。
俄罗斯和中国计划在2033年至2035年间共同发射一座国际月球研究站,配备核反应堆,但他们尚未解决冷却问题。英国核未来研究所的Simon Middleburgh与英国航天局和劳斯莱斯合作,开发未来将飞往月球的核裂变反应堆。劳斯莱斯在核反应堆方面具有丰富经验,目标是产生100到300千瓦的电力。
2070s-2120s: 星际旅行
NASA的“新视野”号任务是目前最快的太空任务,用了九年时间抵达冥王星。然而,离最近的恒星比邻星还有268,779天文单位(4.2光年)的距离。显然,我们需要找到更快的旅行方式。
英国初创公司Pulsar Fusion正在制造一种核聚变火箭。 利用核聚变技术,可以大幅提高火箭的飞行速度。这种火箭有望于2025年进行测试,2027年达到核聚变温度。这种火箭将大大缩短宇航员前往火星及其他太空目的地的时间,进而帮助人类探索目前遥不可及的地方。
英国初创公司Pulsar Fusion的核聚变火箭概念图
近期,美国航天公司 RocketStar 宣布,成功演示了核聚变推进装置 FireStar Drive。该装置利用中子核聚变释放的能量,通过将硼引入推进器的喷气中,使电离水蒸气产生的高速质子和硼核碰撞,发生聚变反应,从而显著提升了推进器的性能。FireStar Drive 具有能量转换效率高、无毒(低安全风险)、易于运输和地面支持、方便添加燃料、低处理成本等多方面的优势。该技术最初是由来自美国空军创新中心的小企业创新研究计划发现的,已经得到独立验证。RocketStar 公司将推进装置进一步改进,并将推力性能提升了 50%。
美国航天公司 RocketStar的核聚变推进装置 FireStar Drive
虽然目前的技术还不成熟,但未来我们可以将太空太阳能农场产生的能量用于激光驱动。这一切都需要大量的技术进步,但星空在等待着我们。眼下,我们拥有的只有地球。未来的太空科技让人充满期待,但我们仍需脚踏实地,继续努力。
(注:图片来源于网络)
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