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伊卡洛斯航行計劃：超導態的“星際風箏”

宇宙


伊卡洛斯航行計劃：超導態的“星際風箏”

宇宙飛船在動力系統上需要大量應用超導材料
【伊卡洛斯航行計劃：超導態的“星際風箏”】由英國星際協會與Tau Zero基金會發起的 ， 伊卡洛斯星際公司具體管理的伊卡洛斯星際航行工程是人類目前執行的一個向距離太陽系最近的恒星系統發射無人宇宙飛船的計劃，而除了漫長的宇宙航行考驗著飛船的各系統工作的連續性以及超遠距離的星際通訊等等難題外，在飛船的材料 ， 特別是超導材料的廣泛運用上還需要較大的突破 ， 而科學家依據三千年前中國風箏的設計思路 ， 將使得伊卡洛斯飛船最終在結構上會更輕，強度上更大 。
伊卡洛斯星際航行項目的科學家亞當（Adam Crowl）負責設計飛船的燃料以及燃料儲存模塊，并結合過去40年來，人類在航空航天運用材料上的進步，嘗試著將最新的材料使用在宇航飛行上，并討論如何建造這個能進行恒星際航行的宇宙飛船，其側重點則放在制造技術以及材料工藝的考究上 。
我們知道 ， 早在三千多年前，古時代的中國就發明了風箏，當時古人使用的材料僅僅是竹子和細綢，隨著時間的推移，技術的進步，風箏也在發生著各種變化，結合現代科技塑料以及碳纖維復合材料的使用 ， 風箏脫胎換骨成了我們現在所熟悉的模樣和結構 。同樣，在將近四十年前發起的“代達羅斯”航行研究就使用了當時所能提供的最先進的材料以及技術運用，比如高密度的耐高溫金屬合金、使用低溫超導體創建磁場和渦輪電力系統對飛船的供應等等 。
而從那時起，幾乎所有人類涉及領域的新材料都被納入視線，例如 ， 碳的同素異形體、高溫超導材料和熱點性能材料，這些應用于建筑、電力以及發電站的新型材料都被用于飛船的設計 ， 將這些新材料用于解決星際航行的問題 ， 將推動我們在材料領域的發展 。當然，代達羅斯計劃更多的是側重于起步研究，而伊卡洛斯計劃可憑借著21世紀的宇航技術提升該計劃的可操作性，星際航行與每個國家發射各自的衛星的航天活動不同，其代表的是全人類的意志，與每個人的利益相關 。
風箏是一種非常古老的飛行器，利用的就是空氣動力的原理，而當19世紀中葉的工業革命在蒸汽機、內燃機等動力設備上的突飛猛進，使得飛艇成為了顯赫一時的飛行器，在此之前，具有古老歷史的風箏在相當長的文明歲月里保持著人類發明的比空氣重的飛行器 ?？茖W家通過研究風箏的的設計原理，將其運用到星際航行上 。而風箏則是通過巧妙的布局 ， 以最低的質量來匹配其所產生的升力 。星際航行也存在著這樣的定律 ， 雖然宇宙空間不存在空氣阻力，但是從材料上入手，從而降低飛船質量并提供足夠的推重比 ， 以產生更大的加速度 。
由于飛船需要進行百年的星際航行，燃料對于飛船而言是有限的，如何充分使用這些燃料，在何時進行合理的加速，以及飛船發動機周圍產生的余熱能否被結構所吸收利用都將涉及到飛船材料設計上的難題 。
我們目前使用的火箭都是以化學燃料為主，包括固體、液體、固液混合燃料發動機都是使用化學反應產生能量推動火箭 ， 比較壯觀的像剛剛退役的航天飛機，除了有固體發動機，還駝著一個巨大的液氫液氧燃料罐，也就是外部燃料箱 。這些化學反應產生能量的動力系統不可避免地會產生大量的熱輻射以及隨著發動機噴射出去的余熱，這都是在損失能量 ， 而星際航行則要盡可能地避免大量的能量隨著熱輻射而損失，小部分熱能還要被外層殼體結構吸收利用 。
而其中還有一個問題：飛船上使用的設備在大幾十年的星際飛行中，還需要保持一個較適合的工作溫度，所以還得配上巨大的散熱器進行散熱 。我們不僅要回收損失的熱量 ， 還要想辦法為設備降溫，這似乎是一個很棘手的問題 ?？茖W家嘗試使用液體或者氣體通過這些需要降溫儀器的周圍 ， 將輻射出來的熱能進行回收，同時也達到了降溫冷卻的目的 。
但是 ， 即使這一切都做到位了，還要確保這個熱循環系統能在幾千度的工作環境下工作將近一百年 。而這個還僅是被應用于飛船建造的材料所必須忍受的極端條件之一 。另一種極端的環境則是低溫 ， 比如飛船上發動機磁場則就要使用超導態的電纜所產生 。在1986年的材料研究上 ， 溫度必須冷卻在零下273攝氏度，逼近絕對零度時可產生這類超導現象 。而材料研究的進步，仍然需要達到零下243攝氏度，最高溫度值也必須有零下238攝氏度 。
而目前的材料學上的能維持超導的溫度在零下138攝氏度 。從幾千攝氏度的溫度到維持超導態的工作溫度，都對材料研究產生不小的難題 。此外，在飛船上使用的核聚變發動機中，還要使用質量更輕、強度更大的的絕緣導線，用以抵抗強大的磁力引爆產生的電離輻射 ， 所以，從上述角度可以看出，用于飛船發動機制造的材料，不僅要承受住幾千度的高溫，也要具有優異的超導態性能 ， 同時還必須更輕更強，使得飛船得以實現借鑒風箏的設計思路 。
科學家估計，一旦飛船進行完長距離的航行加速后，主發動機需要被關閉，并且進行減速，這時候飛船就需要有另一套的電力供應體系 ， 這可能是某種結構緊湊而且非常先進的核反應堆 。
從20世紀70年代起，用于核電站核能轉換成電能的一個相對有效的方式是使用渦輪發電機，由核能產生熱量帶動渦輪的轉動 ， 并產生電力 。科學家從那之后，也再討論如何使用熱點材料，將熱量轉換成電能 ， 并提高這種能量轉換的效率 。而渦輪電機在能量轉換的過程中，雖然起到了相關的作用，但是渦輪電機轉動組件間的摩擦明顯會造成能量的損失，所以在伊卡洛斯飛船上 ， 需要沒有轉動部件的能量交換系統，也就是說，科學家希望使用一個固態材料，作為核能與電能之間轉換的媒介 。
由于飛船要飛行將近百年的時間 ， 零件磨損不僅會造成能量累計效應的損失，也使得轉動零件壽命下降 。而采用固態能量交換機制的優點是顯而易見的 。相比較而言，在過去的40年里，制造業的發展進程顯得有些緩慢，而在材料添加劑制造上的卻有著較大的進步，特別是再自動化加工設備上顯得日益強大 。各個部件間的可以做到一層層的吻合，而僅僅是簡單地將不同結構進行連接并不能使整體變得更輕更強 ， 這就需要從材料上入手，由于傳統材料制造工藝上的限制，使得用于宇宙飛船建造的材料在短期內達到最優化的水平還有一定的難度 。
當然，目前開發的這些技術已經被應用航空領域，特別是下一代的寬體客機，使它們更輕、更有強度，比以往任何時候由人類制造的飛機更加堅固 。比如，在20世紀60年代的阿波羅登月計劃中，其中就有一個先進的自動化焊接系統被成功研制，其被應用于組裝體積超級巨大的土星五號重型火箭，由于焊接的可靠性以及高效性 ， 使得土星五號這個級別的重型火箭在結構重量上得以減輕，這同時也是一個關于提升材料制造業能力使航天活動得以進步的先例之一 。
因此 ， 在三千年前風箏的設計思路的影響下，伊卡洛斯星際航行計劃將不可避免地受到其啟發，使得未來的宇宙飛船結構更輕，推力更大，成為名副其實的“星際風箏”，而其中大量應用的超導態材料，不僅保證了飛船各系統的正常運轉，也能促使材料領域的進步 。

騰訊科技（Everett/編譯）