作者：侯立顺
当“章鱼”飞上了天空
想象一下，在地面上发射的探测器冲出地球的磁场瞬间，开始感受到来自太阳的粒子风暴：一波，又一波，越来越强烈。看来已经进入了太阳风肆虐的星际空间，这时探测器开始向四周释放出50根比头发丝还细的铝丝，每根铝丝长20千米，没错，单位就是千米，不过在浩渺宇宙中，这样的尺寸级别真是微不足道。最关键这些铝丝还会随着探测器的运行而不停旋转，在探测器周围形成一个电场，就如同一张看不见的帆，在太阳风的劲吹下，加速向前。
这一幕未来场景真是不可思议，极细的铝丝能让太空探测器获得如此高的速度，恐怕连儒勒·凡尔纳这样伟大的科幻作家都不敢想象！2013年5月，爱沙尼亚首枚卫星EST-1即实验性地配备了10米长的铝丝。人们还计划在2015年的芬兰Aaho-1卫星上测试长度为100米的铝丝。“太阳风力帆”的设想由芬兰气象究研究所的佩卡·扬提出，他希能以此解决太空旅行的成本及燃料供给问题，这两者都困扰了航天工业很多年。
能量取之不尽
无论是采用固态还是液态的推进剂，传统的喷射推进方式都是通过向外高速喷射燃烧气体来提供前进的动量。依赖喷射推进的探测器，往往需要携带大量的燃料。减去这部分重量，不但可大幅降低发射成本，也将使探测器的制造大为简化。这样一来，借助行星引力，利用弹弓效应为探测器加速也变得可有可无。我们再也不必为选择合适的发射日期而守株待兔。
要知道，太阳每秒钟喷射出的质子多达100万吨，其速度更是高达450千米/秒。如此大量的高速粒子流使得太阳成为取之不尽、用之不竭的能量之源。于是科学家就有了给探测器装上金属丝的想法：探测器四周，带着正电荷的金属丝就仿佛是一个巨大的螺旋桨，高速飞来的质子撞击其上，动能得到传递，这样探测器就获得远离太阳的加速度。这一革命性的设计还解决了传统太阳帆推进技术所面临的三大难题。仅几微米厚传统的太阳帆就像一张高科技风筝，无法提供足够的动力，安装十分复杂，且其脆弱的结构也极易受空间漂浮物的破坏。
“章鱼”的三大优势
科学家佩卡·扬的发明解决了传统太阳帆的上述三大难题。首先，与依靠阳光（光子）推动的传统太阳帆相反，驱动电力帆的是质子，由于质子质量比光子大得多，同等条件下电力帆的推力至少是太阳帆的50倍。
其次，电力帆由许多极细的铝丝构成，在太空中释放时比一整张太阳帆打开简易得多。
再者，电力帆张开后形成的电场面积就相当于太阳帆的表面，但太空漂浮颗粒可以从金属细丝的缝隙中自由穿越，不会对其结构遭成损害。
一切皆有可能
2013年1月，赫尔辛基大学的工程师完成了一项技术壮举，他们制造出了一根1千米长的丝缆：它由4条金属丝绞成，共有9万多个超声波焊点。研究人员估算，100根左右的丝缆才可为探测器提供1牛顿的推力，这只有传统喷射推进器推力的百万分之一。然而，电力帆的任务并不是要让探测器从地面起飞。只有当探测器离开地球磁场后，这些丝缆才会被展开，接替喷射引擎的工作，为探测器进入太阳系深处提供持续的动力。
虽然太阳风电力帆能使探测器向目标快速前进，但也无法刹车。因此，使用这种推动技术的探测器将冲入遥远行星大气内部，而不是环绕它们运行。科学家从2006年起，就开始在这方面展开合作。2014年1月，他们确定了电力帆探测的目标：只需6年，便可抵达遥远的天王星。采用传统的化学推进技术需要15年才能抵达那里。
太空旅行的路线图
那么，这次太空旅行的路线图是怎样的呢？按照计划，探测器将在地球磁场的边缘展开50条20千米长的线缆构成电力帆。后者将为探测器带来0.5牛顿的推力，探测器也将逐渐升至100千米/秒的巡航速度。
3年后，探测器将在经过土星时抛弃电力帆，依靠之前的惯性前进。在抵达天王星之前一周，探测器会分解成两部分，其中一部分进入天王星的大气层执行探测任务，并将测量数据回传到10 000千米外的另一部分上面，经过一次中转传回地球。这可算的上是非常完美的探险计划， 但在将其付诸实施之前，计划还要得到批准。佩卡·扬必须向世人证明，他们的设计能够经受住空间测试的严峻考验。
虽然这个计划在理论上无懈可击，但还是要看探测器在真实条件的表现。太阳风中的电子带负电，会不可避免地聚集到带正电的丝缆上，这会大幅降低电力帆系统的能效。另外，如何在太空中打开电力帆，避免其受到损伤，这的确是个技术上的挑战。科学家现在将一种由太阳能电池板供能的电子枪嵌入到探测器上，用来捕捉并清除附着在丝缆上的电子。当探测器渐渐远离太阳，太阳能电池板提供的能量将日益衰减，但与此同时，附着在丝缆上的电子数量也会因与太阳距离的增大而减少。
未来的科学应用前景
至于在太空中张开电力帆的技术，我们很快就能知道其优劣：一年前升空的第一台原型探测器EST-1将在近日展开其10米长的丝缆。科学家计划在这些丝缆上施加数百伏特的电压，以测试其机械强度以及对大气层顶部带电粒子的反应。2015年，芬兰还将借助 Aalto-1卫星对100米长的丝缆进行测试。只有验证电力帆装置的可行性，不远的将来才可能会有一队队带着长长触手的探测器向着太阳系边缘那些大大小小的天体进发。
除了对探测器进行加速，电力帆是否也能用于使废旧卫星减速，坠入大气层烧毁呢？这在理论上是可行的，因为电力帆对带电粒子很敏感。除了太阳风中的带电粒子，当然还有地球电离层中的带电粒子。而600千米以下的人造卫星轨道，正处于电离层中；只要利用电力帆减慢卫星速度，它的高度就会渐渐降低，并最终坠入大气层烧毁。目前，科学家正在构想一种名为“电动力学丝缆”的装置：当金属丝缆划过地球磁场线的时候，会受到向下的洛伦兹力。2014年2月28日，日本发射了长300米的模型装置进行这方面的实验。
（摘自《科学大众》）
