一项发表在《Acta Astronautica》期刊上的最新研究，为星际探测提出了一种极具潜力的新方案。该方案由中国科学家团队提出，核心思想是利用高能相对论电子束推动轻型探测器抵达遥远的星系——半人马座阿尔法星。这一概念的提出，为人类探索宇宙提供了新的思路，并有望在未来显著缩短星际航行所需的时间。
目前，化学火箭仍然是航天发射的主要动力来源。然而，对于动辄数光年的星际旅行而言，化学火箭的推进效率和可达到的速度都显得力不从心。即使是理论上效率极高的离子推进，其推力也难以在合理的时间内将探测器加速到星际航行所需的极高速度。因此，科学家们一直在探索各种更具革命性的推进方式，例如核动力推进、光帆推进等。而这项最新的研究，则将目光投向了相对论电子束。
该研究的核心在于构建一个基于“磁喷嘴”概念的电子束发生器。这一装置能够产生高度聚焦、能量密度极高的相对论电子束。所谓“相对论电子”，指的是速度接近光速的电子。当电子的速度接近光速时，其质量会显著增加，动量也随之增大。研究人员设想，将这些高能电子束投射到一个轻型“光帆”上，利用电子与光帆材料的相互作用，将电子的动量传递给光帆，从而产生推动力。这与光帆利用光子动量推动飞船的原理类似，但电子的质量远大于光子，因此在相同的能量下，电子束有望提供更大的推力。
在具体的技术细节上，研究团队提出了一个巧妙的设计方案。他们并非设想在探测器自身携带巨大的电子束发生器，而是计划在地球轨道上部署一个大型的电子束发射站。这个发射站将持续不断地向飞往半人马座阿尔法星的探测器发射高能电子束。探测器本身则只需要携带一面轻巧的光帆，用于接收电子束的动量。这种“外置推进”的模式，极大地减轻了探测器的质量负担，使得探测器能够以更高的加速度前进。
论文中详细探讨了电子束与光帆的相互作用机制。研究者提出使用石墨烯等轻质高强度材料制作光帆。当相对论电子撞击到石墨烯光帆时，会通过库仑相互作用将动量传递给光帆。为了提高动量传递效率并减少电子束的散射，研究人员还设想在光帆周围设置磁场，引导电子束并约束其运动轨迹。这种磁场的存在，如同一个“漏斗”，确保大部分电子的动量能够有效地传递给光帆。
根据研究人员的计算，利用这种相对论电子束推进技术，一个质量约为 1 千克的微型探测器有望在数十年内加速到光速的 20% 左右（0.2c）。这是一个令人振奋的速度，远超目前任何航天器所能达到的速度。按照这个速度，探测器仅需 20 多年即可抵达半人马座阿尔法星，加上减速和探测时间，整个任务的耗时有望控制在人类寿命可承受的范围内。相比之下，即使使用理论上速度极高的离子推进，也需要数千年的时间才能抵达最近的恒星系统。
当然，这项技术目前仍处于概念验证阶段，面临着诸多挑战。首先，如何高效地产生并精确控制高能相对论电子束是一个巨大的技术难题。需要克服电子束在传输过程中的散射和能量损失问题。其次，如何设计能够承受高能电子束冲击的光帆材料，并保证其在星际空间极端环境下的稳定性，也是一个需要深入研究的课题。此外，在如此高速的星际航行中，如何实现精确的导航和姿态控制，以及如何让探测器在抵达目标星系后有效减速并进行科学探测，都面临着巨大的工程挑战。
值得注意的是，这个方案与“突破摄星”（Breakthrough Starshot）计划有着异曲同工之妙。“突破摄星”计划设想利用地面激光阵列发射 мощный 激光束推动纳米飞行器前往半人马座阿尔法星。虽然推进介质不同，但两者都采用了“外置推进”的思路，旨在克服传统火箭推进的局限性。相对论电子束推进方案的优势在于，电子的质量远大于光子，理论上能够提供更大的推力，从而更快地将探测器加速到目标速度。然而，电子束的控制和聚焦难度也相对更高。
展望未来，相对论电子束推进技术如果能够取得突破性进展，将彻底改变我们探索宇宙的方式。它不仅能够显著缩短星际航行的时间，使我们能够在有生之年探索遥远的星系，还将催生出一系列全新的空间技术，例如利用高能电子束进行空间碎片清理、行星防御等。虽然实现这一目标还有很长的路要走，但这项研究无疑为人类的星际梦想点燃了新的希望。我们期待未来能够看到更多关于这项技术的深入研究和实验验证，最终让星际旅行不再是遥不可及的幻想。
参考文献：
Discover the latest in science, tech, and space with over 100,000 subscribers who rely on Phys.org for daily insights. Sign up for our free newsletter and get updates on breakthroughs, innovations, and research that matter— daily or weekly .
科学剃刀，每日推送关于核聚变、理论物理、太空探索的最新动态，关注+星标，第一时间收到推送。
加微信fusion9000，进“科学剃刀”粉丝交流群交流，实时滚动推送最新信息
