以光速的20%飞行将会与灰尘相撞即是灾难

“突破摄星”项目是过去十年中提出的最令人激动的科学设想之一。该项目计划向距地球最近的恒星发射航天器，目前在世的大多数人在有生之年都能亲眼见证。虽然从理论上来说，在对现有技术做适当之后，该设想是可以实现的，但还有大量细节需要验证，因为有一个问题对于该项目来说可能是致命性的。

　　先来听一点好消息：“突破摄星”正在为必需的研究项目提供资金赞助，仔细验证该项目运用的科学概念。该团队近日在arXiv网站上发表了一篇论文预印本，详细地分析了在高速航行时、航天器能经得住这种长途旅行的概率有多大。总的来说，事情看上去还是很顺利的，但分析结果显示，航天器还需要在防护罩上再下一点功夫，仅仅是一小粒灰尘，就有可能引发灾难性的后果。

　　该研究团队由四名天文学家组成，他们的是最为基本的问题之一：航天器的生存几率。“突破摄星”项目希望能把航天器加速到光速的20%左右。以这样的高速飞行时，甚至一个小小的原子都能让航天器受到严重破坏，如果与灰尘相撞，结果更是灾难性的。因此该研究团队希望能弄清发生这种碰撞的风险究竟有多大。

　　从地球到最近的恒星之间的空间并非空无一物。早期形成的恒星在宇宙中留下了少量细小的尘埃粒子，各类宇宙活动也产生了很多单个的原子，四处分散在宇宙中。这些粒子会对航天器造成严重的威胁，科学家们对它们分别进行了单独研究。

　　如果撞上一个原子，主要的问题不在于碰撞本身，而是撞击产生的能量会聚积在航天器中，造成局部过热，这会带来两种后果。如果温度过高，航天器所用的材料就会蒸发到太空中；而如果温度没那么高，就会出现局部材料融化，这部分材料重新凝固之后，材料的性状就会发生改变。

　　研究人员利用石英(二氧化硅)做了撞击测试，利用测试中得到的信息，再加上对宇宙中气体浓度的测量结果，研究人员通过计算，描述了飞行过程中可能遭遇到哪些损伤。研究结果发现，虽然氢原子和氦原子是航天器可能撞上的最常见的粒子，但质量更重的原子、特别是氧原子、镁原子和铁原子等，会对航天器造成更严重的伤害。

　　尘埃则会带来另一个问题。如果航天器撞上了体积较小的尘埃，效果就像同时撞上了很多个气体原子一样。因为与撞击产生的能量相比，把这些原子联结成一粒尘埃的能量几乎微不足道，况且构成尘埃的主要是质量较重的原子。但如果尘埃的体积大到一定程度，撞击产生的能量就足以摧毁航天器。而且所谓的“大到一定程度”也并没有多大，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。

　　但研究人员并未解决由撞击产生的动能改变问题。每一粒尘埃粒子都会让航天器上的一小部分材料蒸发到太空中，从而对航天器产生反作用力，使它的运行方向发生轻微的改变。日积月累，这些撞击坑会均匀分布在航天器的表面，但航天器的飞行轨迹也会发生一定的变化，这要取决于撞击分布的均匀程度，以及经受撞击的时间。

　　因此，这些撞击可能会增加航天器抵达目标星球的难度。考虑到航天器上搭载的传感器质量也许会受到一定限制，要想让航天器飞到其它恒星附近，也许并不是一件简单的事情。