迈向半人马座的第一步：航行至火星

耗资 1 亿美元的“突破摄星”计划旨在利用激光以超过 25% 的光速发射芯片大小的探测器，历时 20 年抵达半人马座。不过，在该项目开始星际旅行之前，它可以启动行星际任务，探索太阳系的神秘角落——研究人员表示，这些激光可以在大约 30 分钟内将“太空芯片”送达火星。

“突破星射”计划旨在利用巨大的地面激光器向外发射大量“激光帆”。光产生的压力很小，但之前的项目已经成功测试了许多太阳帆——由太阳光推动的航天器。“突破星射”计划的激光阵列每年可以发射多达数万个探测器。

这个雄心勃勃的项目面临诸多挑战。该项目必须将千米级“相控阵”中的许多激光器同步起来，使其可以像单个前所未有的 100 千兆瓦激光器一样工作。这些光束必须完美同步发射，聚焦于数千英里外的微小目标，推动激光帆飞行数分钟，旋转以跟踪穿越太空的探测器，并依靠称为自适应光学的可变形镜来帮助它们补偿大气扭曲。

研究人员还需要设计能够装载所有所需设备的微型航天器，以及可用作灵活、耐用、轻便、高反射率的激光帆的新材料。

在发射大量探测器进行星际旅行之前，首先积累星际任务的专业知识是有意义的。“随着我们建造越来越大的阵列，功率越来越高，可以以越来越高的速度发射物体，首先将它们发射到太阳系其他地方是合乎逻辑的，”突破摄星计划顾问、加州大学圣巴巴拉分校实验宇宙学家菲利普·鲁宾说。

突破摄星计划计划的 100 千兆瓦阵列只需大约 10 分钟的激光照射，就能将重量为 1 克、帆宽为 1 米的探测器加速到超过 25% 的光速。以这样的速度，太空芯片只需大约半小时就能到达火星。

“一旦掌握了这项技术，你就能以极快的速度在太阳系的任何地方执行飞行任务，”科幻小说作家、美国宇航局物理学家、突破摄星计划顾问杰弗里·兰迪斯说。“目前，我们已经非常擅长到达内太阳系的其他地方，比如火星和金星，但对于外太阳系，尤其是天王星及更远的地方，到达那里可能需要很长时间，而以极高的速度发射探测器并在几天内到达那里将是一件非常了不起的事情。”

纳米探测器可以探索太阳系数千个未知区域。

发射星际飞船进行极快的飞行还有一个问题，就是之后如何让飞船停下来。一个解决方案就是不让飞船停下来，而是执行飞越目标的任务，这些目标可能包括冥王星之外的神秘世界。

“我们对太阳系的大部分区域一无所知，而使用新视野号太空船飞过柯伊伯带边缘的一个天体——冥王星，让我们不禁感叹‘哇，我们想要更多’，”兰迪斯说。“将探测器发射到这些天体上，不只是一两个，而是数千个，这将会非常令人兴奋。”

另一个解决方案是鲁宾所说的“智能飞镖”——快速探测器在撞击器任务中与目标相撞，就像 NASA 的 LCROSS 探测器与月球和 NASA 的深度撞击任务与坦普尔 1 号彗星相撞一样。“通过分析撞击后看到的情况，你可以从撞击器中学到很多东西，”兰迪斯说。“因为你知道撞击器是由什么制成的，它的速度有多快，它释放了多少能量，所以分析蒸发一小部分目标后看到的情况可以告诉你很多信息。”

另一种解决方案是，不要以极快的速度发射微型探测器，而是以较慢但仍然非常快的速度发射稍大一些的探测器。较大的探测器可以配备某种制动装置来减慢速度，以便它们能够绕目标轨道飞行或着陆。如果目标有大气层（如火星），这种制动装置可以是降落伞，也可以是使用电力驱散推进剂羽流的离子发动机。“你甚至可以使用地球上的激光阵列远程为离子发动机供电，”鲁宾说。兰迪斯指出，“以前没有人制造过足够小的离子发动机来安装在如此小的探测器上——这是一个全新的领域。”

最终的解决方案是将另一个激光阵列放置在目标目的地，以减缓激光帆的速度：“我们称之为‘乒乓模式’，”鲁宾说。尽管兰迪斯指出，建立这样一个制动阵列将是一个挑战。“你不再只是谈论一个单纯的探索系统——你现在有一个运输系统，可以用来将货物运送到太阳系的另一边。”