其实早期更严重的意外都发生过。曾有四个核反应堆从轨道上落下来,不过好在没有一个造成过放射性碎片的散布。事实上,一颗苏联核动力卫星曾一头栽进加拿大的树林里,而它的放射性是如此之小,以至于我们连找到它的办法都没有。被坚硬的陶瓷保护着的钚没有继续反应,当然也不会危害到人体。
在这些对旧日荣光的回溯之外,nasa还在考虑建造核驱动的离子火箭,它排出的氢气速度达到了250千米每秒,这不得不说是一项长足的进步。但离子火箭的总推力比较小,仅适合于长距离小载荷的任务。
使用氢作为推进工质可以提高喷气速度(在给定的温度下,质量越小的分子运动得越快),而且只要能找到水,我们就能从中分离出氢。我们的探测器已经发现,火星表面几米深处就藏有大量的冰。彗星和木星的含冰卫星都是潜在的“加油站”。
但将氢保持在液态,需要复杂的技术和谨慎的操作。水相对来说更方便携带,虽然它的喷气速度只有氢的三分之一。基于这一点,很多人认为我们宇宙扩张的动力之源,将不会是什么稀奇古怪的燃料,而是原始的水。
靠星吃星
如果我们当初没有放弃核动力项目,现在的宇航工业将会是什么样子的呢?结论是,这条未被走过的小径或许已经将我们带到了太阳系的其他行星上。
从二十世纪七十年代早期到二十一世纪初,核动力火箭被忽视了将近半个世纪,这实在是让人惋惜。因为铀和钚产生的能量,是同样重量的化学燃料——比如说氢氧燃烧——的上万倍。
如果沿着这条路走下去,从地球上的发射架到冥王星,未来的火箭很可能是“蒸汽式”的——先由化学火箭将核动力飞船带到大气层外,后者将在那里开始工作;而不管是液氧和液氢化合,还是让水流过核反应堆,火箭尾部都将形成一道壮观的蒸汽柱。
高能效才撑得起宇宙商业。2002年开始的核动力计划“普罗米修斯”(官僚机构总是偏爱炫酷的名字),让nasa重新找回实现这一切的可能。
第一次实打实的火星探索,或许会遵循在目的地“加油”这一基本原则。靠星吃星,而不是把大量燃料带在身上。补充燃料对于核动力飞船来说要容易得多,因为它们需要的仅仅是水——很容易找到和采集。当然,前提是选对目的地。几乎所有的系内天体都和骨头一样干燥,或者更加干燥。如果地球上的人行道砖块出现在了月球上,人们甚至会利用它来收集水,因为那里的其他所有东西都比它干燥多了。
火星则是另一番景致。一般认为,在太阳诞生初期,灼热的太阳放出的辐射会将较轻的元素往外吹。这一过程使近日星体变得干燥,使更远的星体变得潮湿。后者主要是巨型气态行星,冰和各种气体在它们厚重的大气层中横冲直撞。但最近在火星被紫外线烤焦的表层之下,我们发现它其实很潮湿。由于没有多少大气层,它地壳中的水分都被真空给吸干了。而在地壳之下,则是厚厚的冰层,在两极处甚至能找到雪和冰川。所以该处的探索者们可以很快速地补充燃料,只需要融化地表之下的冰,然后将水收集进飞船就好了。
木星和其他巨型气态行星的卫星也可以作为“加油站”,不过它们一般运行在这些大家伙的重力井深处,意味着到达那里需要很大的速度增量。相反,冥王星就是一个更便捷的目的地——体型小,阴冷,相对较大的含冰卫星它更像是一个年轻的兄弟。这些条件决定了冥王星虽然很遥远,但相对来说到达那里需要的速度增量更小。
当然,我们还可以用水来做更复杂的事:在其中通入电流,将电解出的氧气保存起来以供呼吸,将氢液化以用作推进工质。对于一艘核动力飞船而言,这无疑是最有效的方法。
但储存液氢的装置很笨重,并且容易出故障——想象它在零下200多度的深空中持续运行很多年后会出的毛病吧。火星的大气主要是二氧化碳,所以一个更好的方案是拿氢和它反应,生成的氧气和甲烷都易于储存。反过来,用它们来燃烧,将为化学火箭提供高效的动力。在火星上建一个永久性的核电站,就可以为这一过程提供足够的能量。
当然,上述过程需要先在目的地进行基础建设。如果是实打实的探险,比如,去看看木星卫星欧罗巴的深海中隐藏的奥秘,就需要带上一个大型核反应堆,以提供动力,以及从含冰天体中收集水分所需的能源。
nasa正在论证的使用核动力离子推进器航向欧罗巴的计划。它将在太空中径直航行七年,降落,然后派出探测车。测试这么长时间跨度内持续推进的可行性需要很多年的时间,所以这个任务最早也要等到下一个十年去了。
更好的方案是,建造一艘向后喷射高温气体的核裂变飞船。如果它可以将欧罗巴上的表面冰融化,它就可以利用这些水,带着样品返回地球。
一个大型核反应堆还可以派上更多用场。探索那片深海的最紧迫任务是,打穿它上面数英里甚至数百英里厚的冰层。人类能想到的所有钻头都做不到这一点,但普通的热水却可以。我们只需要将水倒下去,并不断加热,水就会在冰层上缓慢地钻出一个洞来。在南极人们曾这样做过,并且成功了。
为了寻找欧罗巴上的生命迹象,我们需要将深海潜艇放进那黑暗、冷入骨髓的海洋里。坚硬粗大并且绵延几十公里长的电缆线将为其提供能源,就像在“泰坦尼克号”和俾斯麦战舰的残骸中工作的水下机器人一样。只有核反应才能在太空中提供如此巨大的能量。
“宇宙无畏号”
太空很大。在其间搬运小行星或是其他大质量物体,要求飞船足够大。这说明未来的趋势是巨型的核动力飞船。
载荷将被放入一个圆筒状舱室内,它的下面是巨大的推进工质舱,其中的物质,很可能是普通的水——将被泵进反应堆。当然,对于载人飞船来说这是唯一可行的设计,因为水能让宇航员远离核反应堆以及从磁喷嘴处出来的等离子束。不过为了能够观察并调试等离子束,一个后视镜将在飞船侧面伴飞。在与推进火箭分离,核反应堆开始供能后,这套设备将在完全失重的状态下完成它的大部分航程。
上部那个厚壁圆盘将会旋转,以产生离心力,从而使宇航员可以选择他们想要的重力环境。圆盘直径可能会有40米,看起来像个正在缓慢旋转着的天使蛋糕。外壁应该有差不多一米厚,并且为了防辐射会装满水。除非使用电子设备,否则,人们将不能用肉眼直接观察舱外。
在较为可信的早期设计中,一艘飞船会有上百米长,尾部喷出的离子流在飘散到太空中前,会拉出上万米长的蓝白尾焰。等离子体在尾焰中剧烈反应,离子和电子相互碰撞,重新聚合成原子,放出刺眼的光芒。这束笔直指向船尾的蓝色无比明亮,以至于飞船飞离地球轨道的时候,人们甚至可以在地上用肉眼直接观察到它。
普通的裂变设备发电能力很强,但缺少用于撞开原子核的中子。这就是为什么我们通过放入和拔出碳棒来控制核电站——碳可以吸收裂变元素堆中的中子,使其冷却,防止过热。
而可控热核聚变技术的诞生,将引爆核设备领域的下一次革命。
类似氢弹,聚变通过让较轻的原子核,比如说氢和氦,相互撞击聚合产生能量。相比于裂变,聚变过程富含高温粒子,但产能并不高。
很少有宇航飞船工程师关注聚变,因为从半个世纪前开始直到今天,怀疑者一直在说,可控核聚变供电的实现至少还需要20年。聚变需要磁约束装置来控制热等离子流,因为普通物质承受不了它的侵害。其中设计得最成功的家伙大多长得像个甜甜圈,比如源于俄国、现今最常见的托克马克装置。
为了把这个装置变成推进器,我们需要破坏这个甜甜圈。聚变引擎和聚变电站的工作原理相反——我们放开约束,让离子飞出去,然后再次填满这个甜甜圈,继续反应。
聚变引擎的核心就是这种即停即走式的甜甜圈:控制住等离子体,然后通过一条磁管道将其向后喷射出去。目前还未设计成功的聚变发电装置,要求的是尽力约束住聚变中的高温等离子体,而聚变引擎需要的则是放开约束。聚变引擎将发展出一种完全不同的飞船,它们的喷气速度要远高于裂变式引擎。
离开远地轨道后,直到飞出范艾伦辐射带足够远,飞船的聚变引擎才会点火。范艾伦辐射带由被地磁场捕获的带电粒子构成,在这个范围内,四散飞出的离子流会使环地轨道上无数通信和科学卫星短路。(这事儿真的发生过——1962年美国的“一流星鱼”计划,人类有史以来当量最大的太空核爆在范艾伦辐射带内引爆了一颗氢弹。现在我们很难相信曾有人这么干过,不过那个年代真的很特殊。离子和电子瞬间将美国的通信卫星——大部分都属于国防部——笼罩,并使其短路。爆炸后一个小时之内失灵的监视卫星,让美国忽然之间损失了超过十亿美元。这个惊人的闹剧再也没有发生过。)
远望
所以,我们的未来将会是太空歌剧式的吗?如果这意味着搭载庞大引擎的壮观宇宙飞船,也许会是。但很遗憾,至少在科技可以预见的未来,恒星际航行还不太现实。
太空歌剧的其他方面则依赖于你的政治倾向。从冷血无情的商业力量中崛起的,会是伊恩·班克斯的无政府主义/社会主义帝国,还是罗伯特·海因莱因的自由意志主义社会?
我们目前对宇宙的开发主要是将纳税人的钱投进一些回报很低的项目中,比如其实并没有做多少实验的国际空间站。这些年俄罗斯负责运送我们的宇航员,而货物则交给了埃隆·马斯克的太空探索技术公司。我们需要的是“航向群星,驶离官僚”。随着近地轨道旅游、在更远的轨道上实施维修作业以及资源收集——比如在小行星上采矿——的展开,私人太空时代已然开启,并将持续前进。当然,这些都不过是在大海边缘的小小试探罢了。
人类目前的困境来自于人口爆炸和环境的破坏,以及资源的减少。当然,多亏了科学家和工程师们的努力,我们涉过了大部分险滩,但我们不能总是把社会问题的解决都寄托在他们身上。
瑞克·特姆林森,太空活动的积极倡导者,曾这样说过:“最终,在一个‘可持续’的社会中,几乎你想做的所有事,都会成为别人所不能做的,而这就是限制。限制你出行的时间、地点和方式,限制你的消费额度,限制你家宅的大小,限制你的食物,限制你的工作,甚至限制你的寿命……地球的人口将持续增长。”
罗伯特·祖布林,一个雄辩的海因莱因式太空活动支持者,将太空看作是我们最后的和最辽远的边界。他这样说服我们:“看看我们周围,美国社会正比以往更加明显地丧失着活力:阶级固化和社会官僚化日益严重;政府机构软弱无能,没法推进大型项目;监管机制的癌性增殖,影响着私人生活和商业活动在内的社会生活的各个方面;非理性的扩张;流行文化不断分裂;个人逐渐丧失冒险、捍卫自我以及独立思考的意愿;经济停滞和衰退;技术创新变慢,人们甚至觉得进步不再是可能。不管你看向何方,我们都大难临头了。”
这是对整个太空文化最好的总结:空间疆域的革命者。他们大部分都是海因莱因式的自由意志主义者,拒绝相信政府机构将掌控宇宙的未来。
至此,我尽管一直在谈论技术——为了探索或是赚钱,而在太阳系内搬运大质量物体的技术,但事实上,我们的最终目标都是拓展我们生存空间的边界,从而激发心灵的创造力。就如同过去很多个世纪一样,正是深埋在社会中的这一远景,造就了现代文明。
我们会经历很多失败,而保持前行需要有人引领。
肯尼迪在声援“阿波罗计划”时这样说:“我们选择在这个十年登月以及实现其他的梦想,并不是因为它们容易达成,而恰恰是因为它们困难重重。这些计划,将发挥并测验我们科技和能源使用的最高极限。”
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