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一個月後,好幾份研究報告或者簡報呈現在周源面前。這幾份報告或者簡報包括:星際航行動力{主要作者:科學院飛行器動力學家馬克}、光速定律{主要作者:科學院物理學家文明}、星系標定方法{主要作者:科學院天文學家萊爾和科學院物理學家文明}、複製生命法則和意識移植{主要作者:科學院人類學家瑪利亞、科學院腦神經和生命科學家邦本}、威懾和破壁執行計劃{主要作者:科學院物理學家周源、科學院天體物理學家蔣曉燕和地球聯邦艦隊總司令艾森}、行星資源開發計劃{主要作者:科學院材料物理與化學家傑斯、社科院研究員奧賽}。

周源對前面三個很感興趣,在未來三個報告也是很重要,所以重點看。後面三個簡報,是他可以想象得到的。

第一份報告就是星際航行動力研究報告。

該報告分為四個部分:歷史回望{講述幾十年前的飛機、化學火箭等};現階段航行動力{主要分析現在戰艦和飛船所使用的受控核聚變動力};未來動力和航行方式{分析未來可以採用的幾種動力發動機或航行方式,比如星際衝壓發動機、反物質發動機、離子發動機、恆星光壓光帆、核脈衝發動機、空間曲率驅動、利用人造黑洞等};總結建議等。

歷史回望主要部分:幾十年前,人類最熟悉的發動機應當火箭發動機,先驅者和旅行者探測器利用這種發動機飛出太陽系。不過這種發動機的缺點是明顯的,化學燃料佔據的體積和重量太大而推力則太小,效率有限。

現階段使用的受控核聚變發動機:慣性約束聚變,也稱作脈衝性聚變,在飛船尾部推進艙內使用粒子束來引爆小燃料球,小燃料球產生超高溫,生成比磁約束聚變時密度更高1萬億倍的離子漿,從而產生聚變。由於這種反應時間非常快,不必要強磁場束縛它們,小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時間來進行反應。在宇宙的真空中使用粒子束,比具有大氣的地球上具有明顯的好處,不受大氣分子的干擾。核聚變大幅度降低核裂變的輻射污染,不產生γ射線和中子,只產生α粒子,可以說是相當乾淨的反應。

星際衝壓發動機:典型的星際衝壓發動機其實也是一種核聚變發動機。使用星際衝壓發動機的飛船,可以不犧牲靈活性而解決燃料攜帶方面的問題。因為核聚變所需要的燃料氫,在星際空間中到處都是,只要在飛行的途中把它們搜集起來,送進反應爐中就可以了。當然,星際物質的密度是極其稀薄的,所以這種飛船上需要安裝一個巨大的漏斗形氫採集器。按照計算,如果一個1千噸重的飛船以1g的加速度前進,在高密度的星雲中就需要採集1千平方公裡面積上的燃料,而在低密度的星際空間需要採集1萬平方公里。這麼大的漏斗過於巨大了,一個面積1萬平方公里1毫米厚的聚脂薄膜也要25萬噸重,何況這不是平面而是漏斗形。當然,我們可以通過向前方發射激光或者電子束,來將星際物質的外部電子擊開形成離子,然後利用磁場收集,但是,這個磁場漏斗的延伸範圍,甚至比最初設計的漏斗更大,這個磁場漏斗的直徑需要高達5萬公里以獲取足夠的燃料。但當高速飛行的時候,這個磁場將產生巨大的拖滯效果,就如同我們推着一個大木盆游泳時的效果一樣,通過計算,這樣的飛船其實無法達到接近光速的速度,最多只能達到光速的21%。

反物質發動機:由於反物質和物質如果相遇,將會湮滅,正反物質的質量將全部轉化為能量,按照愛因斯坦的質能公式,將釋放巨大的能量。就目前所知道的所有物理反應而言,這是效率最高的燃料。我們可以比較一下,星際飛船發動機燃料每公斤釋放能量的效果,很理想的化學燃料反應可以產生1*10^7焦耳的能量,核裂變產生8*10^13焦耳,核聚變產生3*10^14焦耳,而反物質的湮滅能產生9*10^16焦耳,是氫氧化學反應的1百億倍,太陽核心熱核反應的300倍。這種飛船的比衝量將是最高的,而推重比也可能是最高的,一片阿司匹林那麼大的反物質同物質湮滅產生的能量,足以讓一艘飛船巡弋數百光年。反物質發動機的設計方案,比衝量最高的是粒子束核心,直接一對一的湮滅,然後以磁場控制帶電介子,並把它們直接從噴口噴射出去,由於這些介子的運動速度接近光速,發動機比衝量可能要超過1千萬秒。因為湮滅產生的帶電介子,在衰變後變成半衰期更長的帶電μ介子,所以這個辦法完全可行。而且這個方式只需要反物質燃料,不需要推進劑,可以極大地減少飛船的負載。由於湮滅的產物是以接近光速運動的,所以飛船必須造得很長。但是,反物質製造和儲存有很大的麻煩。首先是製造它太消耗能量了,因為我們目前還沒有其他製造反物質的辦法,所以只能把湮滅過程反過來,使用粒子加速器,根據愛因斯坦的質能轉換公式從能量中製造出反物質{以基本粒子的形態產生}。由於這個原因,現在全球每年才能製造出一億分之一克的反物質。如果使用粒子束核心反物質發動機的話,需要幾毫克反物質來在太陽系內旅行,如果要去最近的比鄰星的話,則需要幾公斤,這遠遠超過了我們的製造能力。另外一個障礙是儲存,因為反物質只要遇到正物質,立刻就會湮滅爆炸,所以我們無法使用任何正物質製作的容器來存放它,現在都是通過超冷真空的彭寧離子阱,利用迭加電磁場來存放反物質基本粒子,這是種可以便攜運輸的反質子存放裝置,目前已經進展到儲存10^15個反質子,可要滿足反物質推進的話,需要存放10^21個反質子。

離子發動機:離子發動機{靜電加速式發動機},這種發動機的工作原理是效仿加速器來加速離子的辦法,這種辦法最大的特點是,它可以把離子加速到接近光速的速度。也就是說,我們有可能通過這種辦法得到非常高的噴氣速度。發動機中又不存在高溫問題,因此發動機的排氣速度也是可以無限制的提高,以至於接近光速。離子發動機採用雙彭源,也就是雙等離子體離子源和永磁Pig離子源的結合。大功率的雙彭源是一種單電荷態的強流離子源,可以引出安培級以上的離子流。從外形結構看,雙彭源只是在雙等離子體離子源的陽極外側增設一個對陰極。前三個電極組成類似於雙等離子體離子源的系統,看作是一個電子源。由於對陰極上加有和中間電極相同或更負些的電壓,電子就在中間電極和對陰極之間反射振蕩,改善了電離。