在过去的十年中，我们在太阳系之外发现了数千颗行星。这对太空探索产生了新的兴趣，其中包括发送航天器探索系外行星的可能性。鉴于所涉及的挑战，目前正在探索一些先进的概念，例如历史悠久的轻型帆概念。

然而，近年来，科学家们提出了一种可能更有效的概念，称为由金属丝网组成的电帆，它产生电荷以偏转太阳风粒子，从而产生动量。在最近的一项研究中，两位哈佛科学家对这些方法进行了比较和对比，以确定哪种方法对不同类型的任务更有利。

这项研究最近出现在网上，正在由Acta Astronautica审查出版，由佛罗里达理工学院 (FIT) 助理教授和 Frank B. Baird Jr. 科学教授 Manasavi Lingam 和 Abraham Loeb 进行。哈佛大学和理论与计算研究所（ITC）主任。

光帆的概念很古老，它涉及配备有大片反射材料的航天器，该材料利用恒星（恒星风）的辐射压力随着时间的推移而加速。这项技术的一个主要优势是它不需要航天器来运输自己的燃料供应，这通常占航天器质量的大部分。

当涉及到星际旅行时，这一点尤其重要，因为即使达到光速 (c) 的一小部分所需的反应质量也将是巨大的。与反物质推进等概念或依赖尚未测试（甚至是假设的）物理学的概念不同，太阳/光帆使用的技术和物理学在这一点上已经完全得到证实。

另一个优点是可以使用太阳辐射以外的方式加速光帆。正如林加姆通过电子邮件向今日宇宙解释的那样：“光帆可以被激光阵列或太阳/恒星辐射‘推动’。在任何一种情况下，光帆的主要优点是不需要携带燃料，不像化学火箭。这大大减少了航天器的质量，因为化学火箭的大部分质量是由燃料引起的。同样的优势也适用于电动帆。”

然而，近年来，这一概念得到了发展，如 1988 年 Robert Zubrin 和 Dana Andrews 提出的磁帆（“magsails”），以及 2006 年 Pekka Janhunen 提出的电动帆。 ，一个超导回路会产生一个电场，而后者会通过一个小电线的帆产生一个磁场——这两者都会排斥太阳风。

这些概念与传统的太阳能或轻型帆有一些显着差异。正如林加姆解释的那样：“电帆依靠带电的太阳/恒星风粒子（在我们的例子中为质子）通过电场偏转它们来传递动量，而光帆依赖于恒星发出的光子的动量传递。因此，恒星的风驱动电动帆，而恒星发出的电磁辐射驱动光帆。”

艺术家描绘的由行星表面产生的无线电波束（红色）驱动的光帆。图片来源：M. Weiss/CfA

有趣的是，一些研究人员已将磁帆视为一种可能的手段，可以在轻型帆接近目的地时减慢它的速度。其中一位研究人员是法兰克福歌德大学理论物理研究所的克劳迪乌斯·格罗斯教授和 Andreas Hein 和 Kelvin F. Long——蜻蜓计划的主要研究人员，这是一个类似于突破摄星的概念。

这三个概念都能够将恒星发出的辐射转化为动量，但也有各自的缺点。对于初学者来说，电动帆在很大程度上取决于其宿主恒星的特性。另一方面，当涉及到 M 型（红矮星）恒星时，光帆在很大程度上是无效的，因为辐射压力不足以产生足够的速度来逃离恒星系统。

这是一个相当有限的问题，因为低质量、超冷的 M 型矮星占宇宙中绝大多数恒星——占银河系恒星的 75%。与其他类别的恒星相比，红矮星的寿命也非常长，并且可以在主序列中保持长达 10 万亿年。因此，可以使用红矮星系统的推进系统将比更长的时间尺度更可取。

由于这些考虑，Lingam 和 Loeb 试图确定哪种星际旅行方式（光帆或电子帆）相对于不同类别的恒星更可取——F 型（白色）、G 型（黄色）、K-型（橙色）和 M 型星。在考虑了每一类的辐射特性后，他们根据突破摄星建立的参数，考虑了航天器的可能质量。

他们发现，与电帆配对的航天器代表了接近大多数类型恒星的更好推进方式，而不仅仅是克级航天器。然而，Lingam 和 Loeb 的计算还发现，电动帆航天器需要更长的时间才能达到可以进行星际旅行的速度。

艺术家对围绕 Gliese 832 运行的岩石系外行星的印象，这是一颗距离地球仅 16 光年的红矮星。

“相反，如果考虑由激光阵列驱动的光帆（例如突破摄星），则可以通过光帆直接实现相对论速度（例如，光速的 10%）；相比之下，由恒星驱动的电动帆风的速度仅为光速的 0.1%，”林加姆说。

虽然通过反复接近恒星，电动帆最终可以达到 0.1 摄氏度，但他们估计这将需要在 100 万年的过程中进行 10,000 次相遇。Lingam 说：“[E] 电动帆代表了一种可行的星际旅行方式。然而，任何希望使用这种方法的技术物种都必须长寿，因为实现相对论速度的整个过程需要大约 100 万年。 . 如果确实存在这样的长寿物种，那么电动帆代表了一种相当方便和节能的长期（数百万年）探索银河系的方式。”

虽然从宇宙的角度来说，100 万年不过是一眨眼的功夫，但就文明的寿命而言，它却是难以置信的长——至少以我们的标准来看是这样。作为一个物种，人类已经存在了大约 200,000 年，并且仅记录了大约 6000 年的历史。更重要的是，我们只是过去 60 年的航天文明。

因此，一种能够被激光加速的风帆仍然是我们有生之年探索系外行星的最实用方法。这项研究的另一个含义是，它可以为寻找外星智能 (SETI) 提供信息。在宇宙中寻找技术活动的迹象（技术签名）时，科学家们被迫寻找他们能够识别的迹象。

强大的激光可能是向其他文明宣传我们存在的好方法，也是值得寻找的东西。学分：麻省理工学院新闻

鉴于电动帆的好处，外星文明可能会比类似技术更喜欢这种技术。正如勒布教授通过电子邮件向今日宇宙解释的那样：“我们的计算表明，先进的文明可能更倾向于使用电动帆而不是轻型帆来推进基于恒星的自然输出。以风或辐射的形式。但是，如果一个技术文明希望达到速度或发射无法由其宿主恒星产生的动力推动的大型货物，那么它可能会偏爱由人工产生的光束（例如强大的激光）推动的光帆. 这种情况类似于帆船之间的区别，帆船使用大自然免费提供的风，而更大或更快的船则由发动机等人工装置推动。”

不幸的是，正如勒布所补充的那样，电动帆在很远的地方不容易被检测到，因为它们是由带电的金属丝网组成的，不会发出任何明显的技术特征。“因此，”他总结道，“SETI 应该主要专注于寻找光帆，这些光帆是可见的，因为它们的光束泄漏到发射场附近的帆边界之外，或者因为它们在靠近发射场时会反射阳光。太阳，就像大小相似的小行星或彗星一样。”

然而，Lingam 和 Loeb 也强调，出于同样的原因，电动帆对于外星文明来说可能是一个有吸引力的选择。除了节能之外，电动帆不会溢出，因此可以在不被注意的情况下从一个恒星系统旅行到另一个星系。费米悖论的可能解决方案？也许！

无论如何，这项研究确实表明，我们目前探索邻近恒星系统的计划应该侧重于强调速度而不是寿命的概念。这并不意味着部署可以继续探索宇宙永恒的电或磁帆是一个坏主意，但可以在我们有生之年到达另一个恒星系统的任务似乎是目前更可取的选择。