为解决这一问题,人们提出了多种设想:
. 製造一个由完美反射镜构成的 “盒子”,將光 “困” 在其中,形成 “冻结的光”;
. 研发可將部分或全部物质转化为光子的技术,如核反应、反物质湮灭、黑洞蒸发等。
若能实现上述技术,光子火箭將成为实现高速飞行的理想选择。
继续翻译
但对於较低速度的飞行,將能量用於加热推进剂会比直接使用光子获得更大的推力。例如:
. 一个吸收了 1 兆电子伏特伽马射线的质子,其喷出太空飞行器时的动量交换会比伽马射线本身直接喷出时更大,因此能產生更大的推力;
. 儘管该质子的速度 “仅” 为 4400 千米 / 秒(是人类已製造的任何太空飞行器速度的数十倍),但仍仅为光速的 1.4%。
基於这一考虑,除非拥有类似火炬飞船那样的高效质量 - 能量转换器,否则即便是配备了光子火箭的行星际太空飞行器,也更倾向於將能量用於加热推进剂 —— 因为在恆星系统內,获取氢等常见推进剂並不困难。
核灯泡推进器的设计本质上就是基於这一理念。
加粗 - 俯仰推进器
俯仰推进器是一种假想的克拉克科技无反衝推进器,其工作原理是通过某种场或力在太空飞行器上產生有效的压力差,从而推动太空飞行器前进。
直径推进器是俯仰推进器的一个子类,它需要一个明確的 “力源”(如负质量球);而广义上的俯仰推进器则不需要特定的力源,它涵盖了所有能在太空飞行器上 “凭空” 產生力或压力差的技术。
由於俯仰推进器是一个通用概念,而非具体的假想发动机设计,因此没有特定的实例,但它显然属於克拉克科技的范畴。
当引力被用作推进所需的力或场,且存在负质量时,俯仰推进器的原理与引力偶极子推进器相似。
加粗 - 推进剂
推进剂指的是任何为增加太空飞行器动量而从太空飞行器中排出的物质。通常情况下,推进剂是火箭燃料与氧化剂燃烧后的產物,但也可以是:
. 通过电动推进系统加速喷出的离子;
. 由反物质反应產生的光子等。
在理想情况下,最优推进剂应具备高排气速度和高比冲 —— 这包括以光速或接近光速运动的粒子,如光子、引力子、中微子,以及其他一些鲜为人知或假想的粒子。
加粗 - 脉衝感应推进器
脉衝感应推进器(简称 pit)是离子推进器的一种,但它同时利用磁场和电场来实现推进。
其设计的一大优势是 “无电极”—— 电极是其他离子推进器设计中的常见薄弱环节,容易因使用而受到侵蚀。
脉衝感应推进器的工作流程如下:
1. 推进器的喷管向一个扁平的电磁线圈喷射少量气体;
2. 一组电容器在极短时间內(仅几微秒)向电磁线圈施加数千伏的高压脉衝;
3. 高压脉衝使气体电离,並使电离后的气体(等离子体)向与初始喷射方向相反的方向做圆周运动;
4. 等离子体沿垂直於磁场的方向流动,这一状態非常適合洛伦兹力对其进行加速,並將其高速(数十千米 / 秒)推向太空飞行器后方,產生推力。
此外,脉衝感应推进器还具有以下特点:
. 可扩展性:能够扩展到更高功率,例如兆瓦级系统可实现每秒数百次的脉衝频率,从而產生相当可观的推力;
. 推进剂兼容性:对推进剂的要求不高,水、二氧化碳、氨、氢、氬、氙等物质均可作为推进剂。
这一特性使其在火星任务中极具吸引力 —— 太空飞行器在火星轨道运行时,可通过收集火星富含二氧化碳的大气来补充推进剂。
加粗 - 量子真空推进器
量子真空推进器(简称 q thruster)是一种基於卡西米尔效应和量子力学原理的假想太空飞行器推进器。
根据当前的物理学认知,在量子尺度上,空间中存在著持续的电磁波动,虚粒子会不断地 “凭空出现” 又 “瞬间消失”。我们在《反物质工厂》节目中详细討论过这一现象,解释了虚粒子与夸克 - 反夸克对相互作用的过程。
简而言之,我们通常所说的 “太空真空”—— 即不含任何普通物质且与外界辐射隔绝的空间 —— 並非绝对的 “空无一物”,而是一种 “假真空”。在这种假真空中,电磁波动和虚粒子的 “涨落” 始终存在,它们虽然存在时间极短,但数量庞大,形成了持续的能量密度。
如果你听说过 “卡西米尔效应”,就会知道:当我们將两块非常平整、不带电的导电板放置在仅相距几纳米(仅能容纳几个原子)的位置时, plates 之间会產生一种微弱的排斥力或吸引力(具体方向取决於 plates 的排列方式)。
在普通介质(如水)中,这种波动效应是存在的,但根据传统认知,真空(空无一物的空间)中不应存在这种介质波动 —— 这一现象曾令人困惑,也由此催生了 “真空能量” 和 “假真空” 等概念。
从实验角度来看,对卡西米尔效应的一种理解是:两块 plates 之间的距离过小时,波长大於该距离的虚粒子无法在 plates 之间 “出现”。这意味著 plates 之间的 “真空度” 比外部更高,外部假真空中的虚粒子会对 plates 產生一个净推力 —— 我们可以利用这种推力来发电。
这里的关键结论是:如果量子真空的波动確实存在,我们就可以 “从虚无中” 產生能量、光子或其他粒子,並將这些粒子用作推进剂 —— 这本质上相当於製造了一台光子火箭、中微子火箭,或是能喷出由虚粒子转化而来的等离子体的推进器。
关於量子真空推进器是否属於 “无反衝推进器”,目前存在爭议 —— 因为它实际上是在 “生成” 反衝质量(而非依赖携带的推进剂)。