互动科普

到恒星去旅行是不断出现在从罗马诗歌到21世纪流行音乐等无数文艺作品中极为令人感兴趣的念头，这一念头如此深入人心，以致当小说家诗人在写到去恒星时，它总是被理解为争取不能得到的东西的一种文化现象。

星际旅行依然是一个壮丽辉煌的(尽管也是未来主义的)梦想：但一小组工程师和科学家已在探讨概念并进行实验，以开发出将宇宙飞船推进到足够高的速度从而远远超越我们太阳系边缘的技术。基于核聚变的推进系统能将人类带到外行星，也能将机器人宇宙飞船推进数千天文单位从而进入星际空间(1天文单位等于1.5亿千米或9300万英里，是地球到太阳的平均距离)，这样的系统将在今后几十年内造出。最终，以物质和反物质相互湮灭作用为动力的更强有力的发动机会将宇宙飞船带到附近的恒星，其中最近的是半人马座比邻星，距离约为27万天文单位。

这些奇异的推进方式的诱人之处在于就给一定数量的燃料，它们能释放出多得难以置信的能量。例如，1个聚变推进系统理论上每千克燃料能够产生出100万亿焦耳能量——这一能量密度比推进当今的宇宙飞船的化学火箭的相应数字高l千万倍。物质—反物质反应甚至更难利用，但区区l千克燃料将产生惊人的2亿亿焦耳能量——足以满足全世界大约26分钟内的全部能源需求。

在核聚变中，非常轻的原子在足够高的温度和压力条件下，被聚集在一起达足够长的时间就会聚变成质量更大的原子。根据著名的爱因斯坦方程E=mc2，反应物和反应产物间的质量差相当于释放出的能量。

利用核聚变存在着巨大的障碍，更不用说利用反物质了，不论是对火箭推进还是对地面电站受控聚变概念都可分为两种一般类型，这两种类型揭示了将极热的带电气体限制于称为等离子区的范围内的技术，聚变就发生在该区域中。在磁约束聚变中，强大的磁场约束着等离子区，另一方面，在惯性约束聚变中，依靠激光或离子束加热和压缩微小的聚变燃料丸。

1997年11月，研究人员利用磁约束法引发了聚变反应，它产生的能量等于为了引发反应而输入的能量的65％。这一具有里程碑意义的成果是在英国的托卡马克设施——欧洲联合大环上取得的，该设施的容器呈炸面饼圈状，其等离子区是磁约束的。商用聚变反应堆将产生比引发或保持反应的能量多得多的能量。

不过就算商用聚变反应堆在地球上成为现实，要开发聚变火箭依然存在几个独特的问题关键的一个是控制由反应产生的高能电荷粒子去产生可以利用的推力。其它重要的挑战有：获取与贮存足够的聚变燃料，使聚变反应产生的能量与宇宙飞船质量之比尽可能大。

自50年代后期以来，科学家已提出了几十种聚变火箭概念虽然聚变产生大量极高能粒子：但只有当这些粒子被控制以产生推力时，反应才能加速宇宙飞船。在磁约束聚变系统中，策略应当是加入燃料以维持反应，同时允许部分等离子逃逸从而产生推力。由于等离子会毁坏它接触的任何材料容器，由研究人员称为磁喷嘴的器件产生的强磁场将引导电荷粒子跑出火箭。

在惯性约束法发动机中，高能激光或离子束将以大约每秒30次的频率点燃微小的聚变燃料丸，磁喷嘴也足以引导等离子跑出发动机以产生推力。

聚变反应产生的粒子决定于所采用的燃料。最容易引发的反应是氘和氚，它们是氢的两种重同位素，它们的原子核除一个质子外还分别包括一个和两个中子。反应产物有中子和氦核(也就是阿尔法粒子)。对推进来说，正电荷阿尔法粒子是有用的，而中子是没有用的。中子不能控制，因为它们不带电荷它们的动能可用于推进，但不是直接的——这样做涉及到利用某种物质来吸收它们并利用俘获它们所产生的热量。由于辐射还对人类造成危害，因此对有人探测器来说，还必须装备大量的防护设施。

这些事实给选择聚变燃料带来了关键性难题，虽然氘和氚最容易引发聚变反应，但对许多推进概念而言，采用氘和同位素氦3(两个质子一个中子)更有利。这些核的聚变产生一个阿尔法粒子一个质子，两者都能被磁场控制。

问题是地球上氦3极其稀少。此外，氘氦3反应比氘氚反应更难于引发。但是无论采用什么聚变燃料，数千吨的宇宙飞船——其中许多是燃料——是必需的，假如要将人类带到太阳系外层区域或深入星际空间的话(相比之下，国际空间站只有500吨左右)。

即使分开来看聚变推进的这些难关——提高受控反应的输出能量水平、建造有效的容纳装置和磁喷嘴以及寻找足够的燃料——也似乎是难以逾越的。然而，上述每个问题未来至少都有解决的微弱曙光。

首先，极有理由相信，聚变反应堆将超越平衡点，在此点上，反应堆产生的能量同输入的一样多。作为战略物资管理计划的一部分，美国的惯性约束工作获得了强大的资金支持(上述计划的目标是研究必实际试验核武器就确保它们的安全性和稳定性方法)研究工作集中于国家点火设施，目前正在劳伦斯利弗莫尔国家实验室建造该设施，预计2001年开始运行，最大激光能量180万焦耳在l0亿分之4秒内释放出——将在2003年获得利用这种类型的能量，研究人员期望释放引发高达反应所需的l0倍的能量.

也有迹象显示，支配着磁约束研究的托卡马克装置可能总有一天要被更精确的更适合火箭推进的技术所取代。1996年美国能源部能源科学咨询委员会批准了这类有希望的磁约束研究项目，如反场箍缩，场反向构型和球形托卡马克。

与此同时，研究人员已开始磁喷嘴的初步研究。现在最大的研究项目是国家航空航天局、俄亥俄州立大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室之间的合作。来自三个机构的研究人员正利用极高的电流产生等离子体(它在实验中作为聚变等离子体)并研究它与磁场的相互作用，甚至聚变燃料问题也是可以解决的。尽管地球上氦3极为稀少，但在月球土壤和木星大气中都有更多的氦3。此外，地球上发现的其它元素，如硼可用于其它一些聚变反应方案，这类反应较难于引发，但产生阿尔法粒子。

尽管聚变推进大有希望，但还存在一种众所周知的物理现象——物质-反物质湮灭——对于一定质量的反应物，将释放出多得多的能量。基于这一原理的空间推进系统将利用质于和反质子间的相互湮灭。

这种湮灭引起连续不断的反应。首先是产生短命的粒子介子，其中一些可被磁场控制以产生推力。来自物质-反物质湮灭的介子以接近光速的速度运动。

不过，这里又碰到了燃料稀少这一关键问题：全世界所有的高能粒子加速器产生的反质子数量加起来一年才几十毫微克。但是，为了到最近的恒星比邻星作一次交会探测，物质反物质推进系统将需要数吨反质子，因为反质子在与普通质子接触时发生湮灭，所以俘获、贮存和操纵它们就成了又一重大挑战。

然而，尽管程度较低，仍有可能利用反物质的高能量而只需少的多的反质子量——这数量极有可能在今后十年内获得。这一系统将利用反质子来引发惯性约束聚变。反质子将穿入重原子的原子核，与质子湮灭并导致重原子核裂变。高能裂变产物将加热聚变燃料，引发聚变反应。确定这种推进系统可行性的第一步工作正在航空航天局主持下进行。一项研究活动是在宾夕法尼亚大学设计和建造一种能俘获并运送反质子的装置。

在目前这一极早的阶段上，建造聚变推进系统（更不用说反物质推进系统）的挑战似乎是难以超越的。然而，人类过去已取得了似乎不可能的成就。阿波罗登月计划、曼哈顿工程和其他大型项目显示，当集中全力协调一致的进行努力并投入大量资金时，什么事情都能完成，对于聚变和反物质推进，难关终将被跨越。

【冉隆华 译 郭凯声 校】