霍金在 2016 年 4 月初提出的「突破摄星」计划是什么?其中的纳米飞行器是什么?
“当地时间4月12日,美国纽约,物理学家史蒂芬?霍金联合互联网投资人尤里?米尔纳(Yuri Milner)宣布启动一个新的1亿美元项目,以更好地了解宇宙。该项目的目标是开发数千个邮票大小的纳米小型太空飞船,飞往我们最近的星系,并发回照片。”----中国新闻网
纳米飞行器应该指的是飞行器元件由纳米技术制成,并非整个飞行器为纳米尺度大小!随着技术的发展,人们能控制的制造尺度越来越小。据我所知,光是打印技术已经可以达到微米级的精度。在一些化学领域,纳米大小的材料可以被轻易制得。在纳米科技将盛行的未来,霍金提出的纳米飞行器指的是内部元件由纳米技术制造而成,使其具有至少通信,摄像,姿态稳定的功能,并保持极小的质量。关于关于推进方式,霍金也给出了解释“一台质量为克级的自动化太空探测器---- 并且通过光束把它推动到五分之一的光速”“a gram-scale robotic space probe - and use a light beam to push it to 20 percent of the speed of light”由此可见,利用光束推进方式应该和太阳帆有点像。这种帆能将达到其身上的光束能量转化为动能,进而推进飞行器。由于质量单位是克级,这类推进方式能提供给飞行器的能量效率应该不会小。由于质量单位是克级,这类推进方式能提供给飞行器的能量效率应该不会小。但霍金的确没有给出更为详细的内容。这些光束将是从大气层内发出的呢,还是由发射到地球轨道上的设备发射的,或甚至是利用反射太阳的光呢?种种尚未披露的细节令人颇感兴趣,但各项技术毕竟不是那么成熟。如果是地球上的激光光束阵列推动其前进,那由于地球自转,全球都将应该布满这类阵列(阵列还要跟着飞行器转)。这将会非常烧钱(所需要的能量非常 非常多),并且大气层对光束也会有一定的影响。但是这种阵列,由于光束的密度,能提供给飞行器的能力应远高于太阳,因此在不考虑开销的情况下,不失为一种好的选择。技术的难度主要在纳米科技(要求制造纳米精度的电子元件,纳米精度那么薄的太阳帆)及材料技术(哪种材料的太阳帆能由最高的转化效率)的领域上。NASA 15年发射的Sunjammer,其太阳帆质量达到32kg,面积为1200平米,拥有0.01牛的推力,厚度为5。这说明对于太阳帆的应用我们还有很长的一段路要走。若能将厚度大幅减少,提升帆面光反射效率(减少增加的热能从而增多动能),其推力将会增加,质量也会下降。事实上,南开大学15年中旬就研制出一种以石墨烯为材料的帆面,据称可获得传统千倍以上的光压。假设这类材料被成功应用,推重比将达到惊人的0.03,加速度为.(这还是使用传统厚度及利用太阳为能量源的情况下)假设利用纳米科技降低厚度90%,并且用高能激光束推进的话,加速度(保守估计)能够大于3.这就意味着,在半年以内该飞行器能达到16%的光速。让我们静静的期待这场由霍金开辟的项目吧。========同日更新========这个计划的技术原型也在今天出来了,和上文有些不同原链接:列举几个比较重要的细节米尔纳预测这些阵列将会超过100GW(1000亿瓦) 项目负责团队人员有:物理学家 Freeman Dyson, COSMOS 科研人员 Ann Druyan , 哈佛大学的 Avi Loeb, 宇航员Mae Jemison,和前 NASA 研究人员Pete Worden。 起始资金要一亿美元 这个”纳米飞行器(米尔纳称nanocraft)”将包含摄像机, 光子推进机, 动力系统, 导航系统 及通讯系统。以上每项技术的开销都将远不止一亿美元。到冥王星仅需3天会有一个母舰(常规火箭)将这些飞行器送入地球轨道,再展开太阳帆进行加速。这个太阳帆将仅几百个原子厚,十几平米(资料来自果壳,未在英文网址找到)能在五倍地月距离内,一分多钟的时间里,将飞行器加速到五分之一光速。利用激光通信技术====4月16日更新=====2045年某一天,休斯顿中心中,人们焦急地在等待着这批探索者传回的第一张照片。“来了!”有人喊道。人群围去,只见一个清晰的,身长两倍于人的异形摆着剪刀手对着相片摆pose。自己想想觉得可怕。同类问题:
1.霍金的大计划是什么?北京时间4月13日8点零8分,著名天体物理学家史蒂芬?霍金在纽约发布了一条微博,宣布将启动一个超级科研项目:建造一个激光推进的微型星际飞行器,预计最快用20年抵达离太阳系最近的恒星系统----半人马座阿尔法星(Alpha Centauri)。而这距离霍金在中国开通微博刚刚才一天。图1 米尔纳和霍金主持新闻发布会说到这个半人马座阿尔法星,好多人不明觉厉,其实半人马座(Centaurus)阿尔法星包括三颗恒星,分别为半人马座α星A、半人马座α星B、半人马座α星C。其中,半人马座α星A、半人马座α星B靠得很近,是一个双星系统,中国古代称为南门二。半人马座α星C,一般称为比邻星,是距离太阳最近的一颗恒星(4.2光年),恒星分类属于红矮星。很多科幻电影或科幻小说中提到星际旅行的时候就往往以此作为一个例子。刘慈欣的科幻小说《三体》中也提到了半人马座阿尔法星。图2 半人马座阿尔法星(Alpha
Centauri)包括A、B、C三颗恒星,其中A、B星合称为南门二,C星特指比邻星图3
半人马座α星A、半人马座α星B靠得很近,是一个双星系统,中国古代称为南门二4月13日,霍金在中国发布了第二条微博,他说:“我在纽约向中国的各位问好!在纽约城的一号楼观景台,我和尤里?米尔纳启动了“突破摄星”计划,马克?扎克伯格也加入了该计划的董事会,为“突破摄星”计划助一臂之力。这个计划太激动人心了,听着就让人心潮澎湃。但该计划提出的时间就在霍金开通微博的第二天,这不能不让人怀疑霍金开通微博另有目的。考虑到实现“突破摄星”计划需要50亿美元以上庞大的资金,让人联想到霍金他们是来中国圈钱了。实际上,这是一项基础研究项目,在理论上是可行的,但在工程技术实现上,是一项大胆的冒险计划,成功的可能与失败的风险并存。2.大计划背后都有谁?“突破摄星(Breakthrough Starshot)”计划由美国宇航局(NASA)艾姆斯研究中心前总监沃尔登带领。背后的金主是俄罗斯互联网投资人、拥有粒子天体物理博士学位的尤里?米尔纳。除霍金外、Facebook创始人马克?扎克伯格也参与了该计划的监督委员会。目前,该计划已经获得1亿美元的经费支持。
图4 米尔纳和霍金共同开启寻找外星人计划前几年,米尔纳曾牵头成立了奖金300万美元的科学突破奖,旨在奖励生命科学、基础物理和数学领域的杰出人才,而诺贝尔奖的奖金才100多万美元。2015年,米尔纳更是拿出1亿美元资助地外文明搜寻计划(SETI),邀请宇宙大爆炸理论主要贡献者之一的史蒂芬?霍金、地外文明搜寻计划创始人弗兰克?德瑞克(Frank Drake)、系外行星发现者杰弗里?马西(GeoffreyMarcy)组成阵容豪华的科学家团队,目的只为寻找外星人。地外文明搜寻计划主要通过租用大型射电望远镜,监测宇宙中的无线电波,分析其中是否存在地外智慧生命发射的信号。虽然该计划已经坚持了几十年,但由于大型望远镜租金昂贵,每年只能租到二三十个小时的观测时间,一直进展缓慢。今后,在米尔纳的资助下,地外文明搜寻计划将长期租用位于西弗吉尼亚州的绿岸望远镜和澳大利亚新南威尔斯州的帕克斯望远镜,这两架世界上数一数二的射电望远镜每年都将有几个月的时间用来寻找外星人。3.其中的“纳米飞行器”又是什么?“突破摄星”计划中提出的“纳米飞行器”,可以在短短几分钟内加速到光速的五分之一,即每秒钟飞行六万公里。相比之下,迄今为止人类历史上飞行速度最快的航天器----“新视野号”在飞越木星加速后的峰值速度也仅每秒钟飞行20公里(每小时7.5万公里),以这一速度飞到冥王星就用了10年时间,如果以这一速度飞到比邻星,则至少需要一万四千年以上,显然是人类很难接受的。因此,米尔纳和霍金希望研制速度为光速五分之一的“纳米飞行器”,在二三十年内就可以飞越4光年以上的距离,主要目的是希望快速抵达离我们最近的另一个恒星系统,去探索那颗恒星周围的行星,在带去人类信息的同时,也把那里的信息带回地球。“纳米飞行器”主要由两部分构成:计算机芯片大小的“星芯片”和不过几百个原子那么厚的“太阳帆”。其中,仅有数克重的星芯片上携带着摄影、导航和通讯等设备。图5 完全展开后的太阳帆效果图按照计划,科学家需要先在地球上建造大规模的地基激光发射器,然后发射一个航天器,将数千个“纳米飞行器”带入太空。“纳米飞行器”进入太空后张开光帆,地面上的激光发射器聚焦激光束,发射强大能量的激光,把激光打在光帆上,提供“纳米飞行器”飞行的动力。这一方案从理论上是可行的,但至少在目前,还没有能力制造出飞行速度达五分之一光速的飞行器。图6 地球上需要建设巨大的激光发射器阵列,向太空发射聚焦激光束图7 地球上发射功率强大的聚焦激光束,推动太阳帆加速飞行,把“纳米飞行器”加速到光速的五分之一所谓太阳帆,是靠太阳光的光压推动帆面,进而提供推力的结构。由于太阳光的光压很微小,星际旅行所需的太阳帆面积要非常庞大,而且要先把太阳帆折叠起来,用火箭把它带入太空,然后在太空中展开。太空中没有任何空气阻力存在,依靠这种微弱推力能为足够大面积的太阳帆提供 10e^-55~ 10e^-3g左右的加速度。为了保证航向的正确,还需要调整帆面张开的角度和方向。4.大计划面临的大挑战 “突破摄星”这个史无前例的大胆设想面临的挑战也是十分巨大的。难点之一,激光推进需要在地面建设强大激光源,不断地跟踪、照射飞行器,但激光源从遥远距离怎样才能一直瞄准这么小的“纳米飞行器”?难点之二,由于光的能量与距离平方成反比,随着飞行器离地球越来越远,激光所能提供的动能也会迅速衰减。难点之三,即便“纳米飞行器”真的飞到了比邻星,如何把信息传回来也是一个巨大的困难。现在航天器上都有一个外形像锅一样的天线,向地球方向发射无线电波,然后被地球上的大天线接收,但这种方法显然不适用于“纳米飞行器”。因此需要一种全新的通信体制,既轻便,又能避免能量的快速衰减,否则信号将无法传递到地球。尽管有众多明星为“突破摄星”计划站台,包括大名鼎鼎的霍金坐镇,但是,霍金和这些明星们却不会直接参与项目中的具体研究。霍金在该项目中主要是作为有公众影响力的科学家,扮演着“突破摄星”计划“科学代言人”的角色。米尔纳2015年投资1亿美元支持的地外文明搜寻计划,同样邀请霍金加入科学家团队,目的和操作手段基本相似。虽然在我们看来,米尔纳、霍金现在的计划更像是在烧钱,但成功的科学家和投资者有共同的特质,那就是既需要有一往无前的勇气,也需要严细慎实的精神。好奇是人类的天性,科学是被好奇心驱动的。我们有理由期待,毕竟,对未知世界的探索,总是处于人类创新的前沿。以上回答来自我应科普中国之邀写的一则小文,略有修改。有转载需要请私信。
我觉得去没问题,可是这么小的飞行器怎么可能有足够的能量隔着这么远的距离发照片回来?
史蒂夫.霍金入驻,第一件事就是安利他和脸书老板,中国好女婿, Mark Zuckerberg参与的一个项目,叫做:让我们去星际旅行吧。
Starshot的基本思想是用激光脉冲把一个重量仅为几克的星际飞船在30分钟内加速到20%的光速,这样在20年内,这飞船就可以飞越我们最近的邻居,距离地球大约4光年远的Alpha
Centauri (为什么大家都叫做Alpha !!!/愤怒)。在飞越的时候,飞船可以考察Alpha Centauri
的行星系统,看是不是有类地行星,并传回图像。这个计划目前是投资1亿美元。因为这个项目是一个所谓的, 所以很多技术目前还没有。霍老爷号(hu)召(you)大家都来投钱做研究。当然,中国 是必须要忽悠的。看到这个消息我第一反应,这不是愚人节消息吧?直觉上,至少有下面几个困难,在概念上就都不可行啊:1.
导航。飞船自身不带能源(因为只有几克的重量),基本上就是一张纳米薄膜。既然没有动力,自然不能导航,所以在一开始用激光照射加速的时候就必须对准了Alpha
Centaur,一炮打过去。这怎么可能?4光年以外,你要一炮打过去?2. 通讯。你用啥发信号?这么远的距离信号衰减到宇宙背景噪音了吧?3. 拍照。光学极限你不能突破吧?镜头再小也是有重量的啊?难道用纳米镜头?于是,我很好奇的打开网站,大致阅读了一下他们的,然后又脑洞大开了一下,发现其实也不是完全不可能:1.
导航。这个在Roadmap里没有提及。但是我想其实飞船是可以有动力的,这个动力就是主动激光。想法是这样的,当飞船接近Alpha Centaur
(AC)的时候,
AC的光照可以给飞船能量,这个能量以激光的形式被飞船发射出去得到反推作用。当然,这个激光的功率极低,需要计算才知道是不是足够改变飞船的方向。因为在Roadmap里面提到当飞船接近的时候,他们准备用AC的光压来给飞船减速,但是他们也没有信心这个过程足够让飞船减速到AC的第一宇宙速度,所以他们说一次飞越任务也许是目前最好的选择。无论如何,提供一个可以考虑的方向。2. 通讯。他们计划用激光本身来通讯。通过计算,上行(地球到飞船)的理论值可以到2*10^18bits/s.
这个速度很惊人,下行理论值大约是70Mbps, 这个也是很好的(比我家的歌华宽带要好很多)。当然,这是基于很多目前不现实的假设,但至少理论上是可能的。3 拍照.
Roadmap里面没有提到这个问题。我仔细一琢磨,发现我很笨。其实根本不用照相机。利用全息技术,直接回传全息数据就可以了。这里是更多的。想想很激动啊,脑洞不在大,而在更大。霍老爷这次能忽悠到钱嘛?想想很遗憾啊,即使飞船今天发射,等我们看到第一张照片的时候我也已经退休好久了(暴露年龄贴):(,
还要祈祷这一路上没有陨石,彗星,小乖兽把飞船给截了去……想想很沮丧啊,昨天看到碳云科技融资10亿,要做什么精准美容……你说外星人看到这飞船会怎么想?“TMD,怎么又飘杨絮了 :D”
阶梯计划开始了。几年来萦绕着所有人的谜团,终于解开了。背景一:霍金曾预言:与外星人接触将导致亡球灭种。背景二:2014年以来,面壁人金正恩开始大力发展核武和火箭发射技术,同时对内强化建设“战无不胜的强盛大国”的思想钢印,为打造一支神风攻击型量子太空舰队奠定基础。背景三:2015年,中国第一名女性参加了冬眠计划,支援未来。背景四:2015年5月,nasa宣布测试曲率引擎。背景五:2016年初,中国宣布将建设地外空间站,太空军建设开始起步。背景六:2016年2月,科学界声明发现引力波。背景七:2016年4月,霍金宣布向三体星系阿尔法星发射微型飞船。“还是太重了,只送脑细胞!”前进!不择手段的前进!
古筝作战之后,作战部所有人都陷入了沉思:智子来了,科学还有未来么?事到如今,曾经晴朗的物理学天空里已经没有半点阳光,只剩一面无限光滑但没有厚度的巨镜,反射这我们无知的身影。你们是虫子。没错,但是虫子也会求生,虫子也会进化。人类更不能坐以待毙。半个月后,联合作战会议室内,世界上所有顶尖科学家军事学家汇聚一堂,偌大的会议室也显得拥挤不堪自然也包括了提出“古筝计划”的大史,而且他是最引人瞩目的一人,因为他面前的烟灰缸里堆满了烟屁股,很多也只抽了一半。“你们说啊,那帮外星人这么tm厉害,俩原子就能废了咱地球所有的科技?”“是质子,而且是通过了二维展开之后通过电路蚀刻进行编程的超级计算机。。。”一位物理学家纠正了他的说法。“得得得。你说这些我也不懂,那既然这么牛逼,咱们学着来也行啊,也弄个什么子的过去,把它们也废喽。”“这根本不可能,智子制造所需要的理论就已经远超出我们现在基础物理的水平,更何况现在我们的物理已经。。。”物理学家已经明显表现出了不耐烦,虽然大史在战术策划方面有过人之处,但在科学方面在这个屋子里可能是跟桌子椅子烟屁股一个级别的。“行了行了,别说这些没用的。那咱么小的造不了,大点的总能造吧?什么分子原子不行弄几个宇宙飞船过去“师夷长技”啊。”“这更不可能了,屏三体人的技术才能将飞船推进到百分之一光速,我们能达到他们的百分之一就已经很不错了,难道等三体人占领太阳系几万年之后才得到飞船发回的信息?”一位德国军事学家甚至有些恼怒的回答着大史的问题。“这大的飞不起来,小的造不出来。那则个中,弄个咱们能弄出来的最小的飞船过去,一个不行弄一百个,一百个不行弄一万个!怎么咱们几十亿人400年还弄不出来了?咱们现在的技术最小的飞船能多小?”“那可能是纳米级了,但是推进系统。。。”对这方面有所了解的汪淼答道。“不是有那个什么帆么?谁知道?就是那个吹太阳光的。”“光帆,但是靠太阳光推进难度太大,但是可以靠人造激光推进!”一位美国女专家眼前一亮。“咣”大史一排桌子“好,既然有思路了就走!咱现在只能摸着石头过河,走一步算一步了!剩下的我就没法说啥了,找科学家吧。就全世界最好的那个什么金。”大史丢掉烟屁股,从怀里掏出一根雪茄“今天咱说出个办法就算这会没白开,我这根好烟就没白带!”说罢点燃抽了起来,留下全屋子人开始了沸沸扬扬的争论。次日,由霍金宣布“突破摄星”计划启动。躺床上根据记忆写的一段子。有错误欢迎指正。
只送大脑。
其实确切来说,这个探测器是用半导体技术一次性做出来的,一般搞半导体的人不会说在用纳米技术。通信探测器到达目标之后与地球的通信是最大的难题。看过三体的都应该明白,在轻如羽毛的探测器上供电是一件多么痛苦的事情。靠沿路的飞船中继通信不现实,因为纳米飞船显然并不能搭载满足最基本主动通信功率的电源。所以我认为只能被动激光通信,地面建造的大量激光站用来照射飞船,飞船把拍到的照片通过被动手段传回。(地球激光准确照到四光年之外的目标,是挺困难,但是总比让纳米飞船有恒星级通信功率要简单)被动通信,简单到极端的手段就是,太阳帆里面预制炸药,炸出特定形状来传递少得可怜的信号,然后地球用望远镜观察。现实一点,靠太阳帆上的薄膜太阳能电池激活飞船上的电子设备,也就是摄像头什么的,然后想办法把太阳帆当成显示器用(@三星)。只要是光通信,无论如何,地球上的望远镜是否给力都是关键。宇宙尘埃撞击探测器以20%光速飞行时候,即使是微小的宇宙垃圾甚至尘埃,相对速度带来的动能都是极为恐怖的,而光帆面积又不小,撞击的几率很高。所以成功到达要看运气。1kg TNT炸药的能量为4.6MJ,宇宙尘埃在20%光速的相对速度下只需要达到 /[(0.2*)^2]=2.5e-9 kg 就相当于1kg TNT的威力,而尘埃质量只需要相当于跳蚤的千分之一水平。(我不确定这种速度下能不能直接用经典物理的动能公式)如果地面可以通过光束微调,让一串飞船准确沿着同一路线飞行,前赴后继开路,不知道能否让最后一个探测器平安到达。这里的讨论没有得出可信结论果然有人写论文研究这个问题了研究人员估计,尘埃的直径只需要达到15微米,就足以毁掉整艘航天飞船了。幸运的是,像这么大的尘埃粒子是很少见的,撞上的几率大约是1050分之一。总的来说,研究人员认为,气体原子对航天器的影响是很小的,造成的伤害顶多只有0.1毫米深。但尘埃就不一样了,航天器撞上尘埃之后,表面可能会有1.5毫米厚的材料蒸发掉,如果材料融化的话,深度更是可能达到10毫米深。而航天器上的每一点材料都至关重要,因此这会对航天器造成十分严重的伤害。研究人员提出了几种可能会降低撞击风险的方法。最简单的一种方法是,减小航天器在前进方向上的横断面面积,如将太阳能板折叠起来、藏在防护罩后面等等。航天器的主体部分也将做成子弹型,以便减少可能会撞上灰尘的区域面积。不过,如果太阳能板需要用来和地球取得联系的话,这种方法或许就不可行了。既然最大的问题是局部过热,该研究团队还提出,在航天器前部增装一层石墨,以便更高效地分散热量。研究人员把石墨与石英对比后发现,使用了石墨之后,由撞击引发的损失可以大大降低。我在这篇
介绍激光火箭时候,提到突破摄星计划所需要的激光基础设施与光船相同,因此有可能顺便实现光船实用化,大幅度降低卫星发射成本。另外该计划可以为激光军备竞赛提供光明正大的借口。
好像是果壳上说相当于地球人对半人马座阿尔法星发射了一堆0.2倍光速的动能武器,就算质量不大,进入大气层也有严重的后果。如果那里有智慧生物的话,心里一定充满了草泥马和三体里面地球人看到智子过来是差不多的心情吧
高票的郑总的***已经说了颇多了。这里我补充几点郑总的***里没有提到的:1. “突破摄星”这个项目属于高技术项目。在科学理论上基本是可能的,但是技术上有很多问题需要解决。整个项目,目前投入的一亿美元只是启动资金,基本上只够做出一份细致的可行性报告和列出有待解决的工程问题。项目网站:2. 个人觉得,到达20% 光速有点儿太乐观,把目标速度下调到5% 光速比较可行。3. 去半人马座,前半段不是问题,唯堆钱而。后半段,如何发回有用的信息,是个大问题。目前项目计划里的方案是用激光,但是这意味着一个芯片 / 邮票大小的飞行器必须有足够的能量发出足够功率的一个信号,而且必须在飞了4光年以后能够较为准确的定位地球的方向,并且调整自身的姿态,对准地球。这些都不容易。下图是“突破摄星”项目网站的叙述。我标的红,后三项是个人认为很有工程难度的地方。通讯问题是倒数第二项:4. 如何计算地球到半人马座路上,有可能遭遇到的宇宙尘埃?目前,在这方面人类的认知是完完全全的一片空白。而且,这些宇宙尘埃的分布情况很可能是随着整个银河系的旋转,随时在变的。5. 宇宙射线。高能的宇宙射线(Galactic Cosmic Rays)可以“敲掉”分子周围的电子,让分子离子化。这样的辐射,NASA的术语叫 ionizing radiation。对于要上太空电子设备来说,电路中的分子如果一直离子化,就会导致电路失效。对于“突破摄星”计划中那么小的一个飞行器来说,不但没有重量做专门的辐射屏蔽,它的微型电路也更容易受影响。我知道有人要拿旅行者来说事,请看看两者的体量、辐射屏蔽及电路的尺寸。最后附上目前(4/14/2016),“突破摄星”计划网站上的所有技术资料的截图:
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“校园版星光大道”让素质教育鲜活起来
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