如果能解决引擎和燃料，星际旅行不再是空想

博笑

在我们殖民月球、火星和系外行星的计划中，最大的挑战之一是时间。虽然今天的宇宙飞船无疑是更先进的，估计从地球到火星需要六个月，而太阳系的其他行星需要更长的时间。

这种长途旅行的前景，需要考虑到太空对我们心理和生理的影响，这样会不会相当令人不安。尽管科幻作家和理论家提出了诸如让殖民者冬眠或世代飞船等解决方案。而有一种更有利的观点认为，能够使我们更快、更便宜地进行星际旅行的引擎设计。

航天器基本问题

目前，航天器的动力来自火箭燃料，包含火箭的三个成员。在发射进入太空并穿越平流层后，第一和第二成员逐渐与火箭分离，以增加航天器的升力，减轻负载。牛顿热力学定律规定，火箭发动机必须产生尽可能多的热量，才能转化为机械能，这取决于燃烧室的温度和压力。为了让火箭升空，推力(燃烧气体通过发动机喷嘴喷射时产生的力)必须大于火箭的重量。

在发射过程中，燃料必须在正确的时间加载，以达到及时发射火箭所需的推力。如果程序被打断(例如，由于天气)，燃料必须提前卸载。

火箭推进装置有几种类型。液体燃料(液氧、液氢或煤油等燃料)目前被认为是效率最高的燃料，因为液体燃料火箭比固体燃料火箭轻(固体燃料火箭更便宜，但推力无法控制)。

目前，长途星际旅行将意味着你需要携带大量的燃料，它的重量需要更多的燃料来产生足够的推力。为了继续进行星系探索，我们必须以某种方式解决这个悖论，最好是为我们的宇宙飞船找到一种替代的、更快的推进系统。

阿尔库贝尔推进(曲速驱动)

火箭推进最流行的替代方案是曲速引擎，吉恩·罗登伯里在创作著名的《星际迷航》系列时提出了这一概念。曲速引擎应该达到所谓的曲速，这是一种与真空中的光速相等或大于光速的速度，通过曲速引擎本身在时空中产生的气泡运动来实现。宇宙飞船会产生一种被称为扭曲场的东西，它会使时空弯曲，使它们周围的空间凝结，然后在飞船后面延伸。

如今，曲速引擎(如《星际迷航》中描述的那样)被认为没有什么科学依据，尤其是与量子力学相矛盾。弯曲的时空需要产生巨大的能量。在《星际迷航》中，这是通过反物质与物质的可控反应来实现的，但根据详细的相对论，时空的曲率必须为负，质量为负，引力斥力为负。到目前为止，理论上唯一具有这种特性的物质就是所谓的外来物质。

然而，1994年，墨西哥国立自治大学(university of national Autonoma de Mexico)的教授米格尔·阿尔库维耶雷(Miguel Alcubierre)发表了一篇论文，概述了物质在真空中比光更快的理论可能性。根据阿尔库维耶雷的说法，当一个弯曲的时空气泡在宇宙飞船周围形成时，它会在宇宙飞船前面收缩，在飞船后面膨胀；在中间，它将是平的，从而确保船员将在安全的零重力。根据广义相对论(任何被赋予质量的物体都会使其周围的空间弯曲)，外来物质或其他负质量的曲率源，将需要阿尔库维耶雷的驱动才能起作用(该质量最初被设想为木星的大小)。

1996年至2002年间，美国国家航空航天局的马克·g·迈尔斯(Marc G. Miles)团队，研究了阿尔库比耶雷动力的理论方面，但该项目的资金在2008年被撤回。NASA重新考虑在2012年10月,哈罗德·怀特是准备谈论所谓的100年的星际飞船项目(来自各领域的科学家在解决星际旅行在一个世纪的问题通过分享知识和发展必要的技术)。然后，他对自己的方程式进行了现场分析，发现了一些东西，可以推动阿尔库维耶雷驱动器的发展朝着正确的方向。

白色的概念是基于事实，通过增加负能量的密度在真空和卷曲在一个泡沫，使所需的能量的物质迅速过渡从A到B将大大减少，从而提高阿尔库比尔推进驱动器工作的可能性。更重要的是，怀特认为，通过这种方式，即使是一个旅行者1号(约825.5千克)质量的物体也能让我们进行星际旅行。

自2012年以来，怀特和他的团队一直在进行实验，以证明阿尔库维耶雷的推进理论。起初，他使用了迈克尔逊.莫雷干涉仪，这个干涉仪被设计用来计算时空中的微观运动。

然而，随着时间的推移，他改进了干涉仪，使用氦氖激光器，其光束分成两条路径(这种改进被称为白-朱迪干涉仪)。将一个实验时空曲率装置应用于其中一条路径，将其与另一条路径进行比较。通过应用解析二维信号处理，可以提取场的幅值和相位，然后与理论模型进行比较。

早期，人们曾尝试观察在20kv以上的钛酸钡电容器中，电场能否产生时空曲率;在2013年的星际飞船大会上，怀特宣布了他的研究结果——在信号处理后，带电和不带电状态之间有一个微小的非零差异，但由于外部干扰和计算处理的限制，它是模糊的。相比之下，在2014年8月的NASA艾姆斯研究研讨会上，怀特排除了这个过程中外来物质的存在。

然而，使用白朱迪干涉仪的研究可能会让我们离创造真正的曲速引擎更近一步。

等离子体推进

我们最近了解到，普林斯顿等离子体物理实验室的Fatima Ebrahimi博士提出了一种新的推进概念，使长距离太空旅行成为可能。Ibrahimi公司的推进系统是基于等离子体发动机，该发动机利用磁场从喷管中喷射等离子体，从而产生推力。该发动机的工作原理是磁场重联，依靠磁场线交叉和快速分离所产生的能量。这种技术被应用在托卡马克上，托卡马克是一种可以发生受控热核反应、产生热等离子体的装置。

Ebrahimi说，她在2017年想到了新引擎的想法:

“坐在甲板上，思考汽车排气系统和PPPL国家球形环面实验(NSTX；国家球形环面实验）。在操作过程中，这个托卡马克会产生一种叫做等离子体团的磁性气泡，它以每秒20公里的速度移动，我认为这与推力非常相似。”

Ebrahimi博士花了数年时间研究受控热核融合，这项研究成为她等离子发动机概念的基础。Ebrahimi的想法是利用地球上可用的方法(如托卡马克)来驱动我们的航天器，从而利用驱动太阳的能量。

“长途旅行需要几个月或几年，因为化学火箭发动机的比冲量很低，所以飞船需要一些时间来获得速度。但如果我们制造基于磁重联的喷气发动机，我们可以想象在更短的时间内完成远距离任务。”

根据Ebrahimi的估计，如果能制造出等离子发动机，那么到月球旅行只需几个小时，到火星旅行只需三周(而不是火箭发动机所需六个月)。

利用等离子体作为推进装置并不是什么新想法，因为PPPL的其他科学家Yevgeny Raitses和Nathaniel Fisch正在领导一个名为Hall推进器实验的项目，利用等离子体粒子推进航天器。

然而，目前等离子体推进的工作还处于模拟阶段，但Ebrahimi打算很快制造出一个原型发动机。

核能发展

早在1955年，NASA就在考虑创建核动力发动机——NTP。NTP的创始人是沃纳·冯·布劳恩，美国太空计划之父。核火箭将由铀燃料提供动力，铀燃料会裂变，从而释放出大量的热量(2500摄氏度)，当从喷口喷出时，它将达到比传统火箭发动机高得多的速度。核动力引擎意味着，如果我们想去火星旅行，我们不必等到地球和这颗红色星球的配置要求尽可能短的旅行——我们可以在任何一天飞出去，而无需等待一个“窗口”。

美国政府曾多次考虑利用原子能为太空火箭提供动力，美国国家航空航天局(NASA)创建了几个项目，探索NTP的概念，并建造了第一枚核火箭原型。首先是1955年的“火星车项目”，在这个项目中，洛斯阿拉莫斯科学实验室的工程师建造并测试了12个不同大小和功率的反应堆。然后，在20世纪60年代末，核动力火箭运载工具应用(NERVA)计划启动，该计划开发了制造可以将人类送上火星的核火箭所需的技术。与此同时，猎户座计划也在进行中，其中包括使用核爆炸脉冲。

然而，宇宙飞船上的核反应堆将意味着除了太空本身之外，另一个辐射源。此外，由于辐射和潜在的爆炸，核动力装置无法在地球大气层中点火。此外，当时工程师唯一可以使用的核燃料是高浓缩铀。由于这个原因和美国公众对核战争的恐惧，NERVA项目在1973年被关闭。然而，NASA几次又回到了核动力推进的概念上——在1987年至1991年之间，Timberwind项目使NERVA火箭的设计更轻、更高效。2003年，普罗米修斯计划启动，但在2005年终止。然而，在2017年，NASA授予BWX技术公司一份为期三年的合同，开发制造核引擎所需的燃料组件和反应堆。

然而，最近核动力火箭的话题又浮出水面。首先，在2018年，俄罗斯宣布他们已经进行了一次核动力火箭的试验——在这次试验中，一种创新的冷却系统成功阻止了核引擎过热和可能爆炸。唐纳德·特朗普总统随后下令NASA恢复美国核推进系统的工作。

如今，利用核能进行星际旅行的前景是相当现实的，因为不仅美国宇航局的科学家能够研究更安全的低浓度铀，而且美国无人机已经在使用小型核系统，新视野号探测器就是一个例子。

然而，总体而言，目前看来，核动力似乎是目前火箭推进的所有替代方案中最有希望的。与阿尔库别雷推进或等离子体推进不同，它的背后不仅有理论背景，而且有许多在实践中使用它的尝试。

尽管如此，几十年来公众对核能仍有一种厌恶情绪，美国宇航局如果想在未来发射核动力载人飞船，就必须修改有关太空核材料的规定。也许在未来的等离子体推进或阿尔库别雷推进将达到如此高的水平，他们将在未来几十年带我们去火星。