科學家研究等離子火箭或能把人帶上火星

科技 08-08

科

人類成功登陸月球過去了近50年時間，今天，我們又把勇於探索的目光投向了火星。是的，我們要送宇航員去火星。這是一項遙遠而艱巨的任務，月球旅程耗費了3天時間，而旅行到火星則需要將近一年。當然，這其中的差別絕不僅僅是時間長短。

科學家研究等離子火箭或能把人帶上火星

為了成功登陸火星，我們需要帶著多得多的補給物資上路。而到達那顆紅色星球之後，我們還需要建設其營地，並在裡面生活一段時間。把這所有需要用到的東西都一股腦地送到火星，沒有全新的、革命性的火箭技術是不可能的。

人類歷史上建造的最大火箭是美國宇航局的土星五號運載火箭。當年正是它燃燒了成噸的燃料把阿波羅飛船送到了指定軌道。集合了當時尖端技術的「土星五號+阿波羅」組合雖然傾盡全力，也只能把相當於一節火車車廂質量的物體送上月球。要想用這種技術在火星上建造一個小房子，我們需要十幾個火箭才行。然而，雖然時間過去了好幾十年，科技也在不斷進步，我們的火箭技術領域卻仍在使用傳統的「化學」推進。只有劇烈的化學反應才能產生足夠的推力來克服地心引力。

科學家研究等離子火箭或能把人帶上火星

別灰心，一旦到了太空之後，一種新的推進技術可以大幅減少燃料需求：等離子推進。

太空中的「電動汽車」

等離子火箭是一種現代技術，它把燃料轉變成由帶電粒子組成的粥狀物質，也就是等離子體，隨後通過噴射這些等離子體來推動飛船。這種等離子火箭相比傳統化學推進火箭可以減少90%在太空中的燃料消耗。也就是說，同樣質量的等離子燃料可以讓我們多送10倍的物資到火星。NASA美國宇航局已經開始研究用等離子火箭推動擺渡飛船在火星和地球之間運送物資的可能性了。

既然等離子火箭這麼棒，我們還需要化學火箭嗎？需要。因為等離子火箭最大的缺點就是推力小。也就是能給飛船提供的加速度很小。最強大的等離子火箭使用的Hall推進器，也只能把一張紙的質量推出地心引力。所以等離子火箭將在數年的時間裡持續給飛船加速，飛向火星。

別急著傷心，低推力不影響它在火星任務中發揮關鍵作用。正是它革命性的燃料效率才讓NASA的火星任務變為了坑。最近，「黎明任務（Dawn Mission）」剛剛向我們展示了在等離子火箭推進下，飛船圍繞兩個不同的外星體運行的可能。

等離子火箭的前途是光明的，但其實踐還有許多難題需要突破。比如，一個在火星任務中持續運行數年的推進器會在途中發生什麼？八成會壞掉。

這正是我們要研究的問題：如何能造一個「不朽」的等離子火箭？

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等離子火箭的原理

我們必須先了解等離子火箭的工作原理。簡單來講，火箭通過向氣體燃料中注射電能來製造等離子體，從帶正電荷的離子中剝離帶負電荷的電子。隨後，離子被從火箭後方發射出去，從而推動火箭前進。

不幸的是，離子所具有的能量不僅僅能夠推動火箭，還會摧毀它遇到的所有物質。在帶負電的牆壁的電磁力的作用下，離子以非常高的速度撞擊牆壁。撞擊力量之大可以將牆壁上的原子剝離出來。慢慢地，牆壁會越來越薄弱。最終，牆壁會在離子的撞擊下坍塌。沒有了牆壁，離子推進器也就不能工作了。現在，你的飛船困在太空中了。

使用加強的材料製作牆壁不是解決辦法，這只不過在拖延時間而已。我們需要一種新的辦法，能一勞永逸地避免牆壁受到離子的衝擊。

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自我修復的牆壁

所以做一堵能自我修復的牆不久好了？我們有兩種辦法可以做到。

第一種方法被稱為「彈道沉積」，存在於材料的微觀表面的變化中，如尖峰或列。當離子撞擊牆面，這些微觀表面可能破碎然後飛向任意方向。其中一些碎片會裝上牆壁表面突出的部分並附著在上面。這個撞擊-附著的現象不斷地進行下去，牆壁等於是沒有受損。但是，總有一些原子會飛離牆壁，永遠不會回來了。

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第二種「等離子體沉積」方法不是那麼直觀，它取決於等離子體的狀態。這時，牆壁仍然會被撞擊出碎片，但飛進等離子體的碎片不是永遠消失，而是掉頭又飛回了牆面上。就像向天空扔出的籃球會在重力的作用下回到地面一樣，飛出的原子會在電磁力的作用下再次回到牆面。牆面粒子起初是中性的，但它在等離子體中可能失去電子，變成帶正電。所以，它會被帶負電的牆壁拉回去。這就是被稱為「等離子體沉積」的過程，我們可以通過調整等離子體的濃度和溫度來掌控這個過程。

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