突破摄星计划

在一代人的时间内，“突破摄星”（BreakthroughStarshot）计划旨在研发出“纳米飞行器”（质量为克级的自动化太空探测器），并通过光束把它推动到五分之一的光速。如果成功的话，这个飞掠任务将会在发射后二十年左右到达半人马座阿尔发星，并发送回来在那个星系中发现的行星的图片。爱因斯坦曾经幻想在宇宙中乘着一道光线飞驰，这个思想实验为他的狭义相对论奠定了基础。一个多世纪后，人类有机会可以达到光速的一小部分：一亿英里每小时。只有通过这么快的速度，才有希望在人类的时间尺度内到达那些恒星。这个项目耗资巨大，雄心勃勃地希望探索人类创新和工程学的极限。

1、项目背景

突破摄星计划由BreakthroughInitiatives发起。该组织是在2015年由尤里·米尔纳（YuriMilner）建立并资助，旨在寻找地外智慧生命。俄罗斯富豪尤里·米尔纳曾投资Facebook、Twitter、阿里巴巴等科技公司，在业内享受盛名。

突破摄星计划由美国宇航局艾姆斯研究中心前主任皮特·沃登牵头，世界一流科学家和工程师组成的委员会提供建议，开发需要数年时间，研发将耗资约100亿美元，米尔纳先期投入1亿美元，希望能有其他国际投资者跟进。

Facebook创始人扎克伯格加盟了该项目董事会。

2、启动仪式

2016年4月12日是第六个“国际载人航天日”。当天上午11时，美国纽约世贸中心一号楼102层大厅内，英国著名天文学家、物理学家史蒂芬·霍金与硅谷著名投资人尤里·米尔纳共同宣布启动“突破摄星”计划，寻找“新地球”。

启动仪式

“如果成功，飞行器将在发射后20年左右到达半人马座阿尔发星系。”新闻发布会上，霍金眼光触及轮椅前的电脑屏幕发出缓慢的声音，“飞行器携带的摄像头、通讯设备和处理器会将捕捉的数据和影像，传回地球。”

“若使用传统太空飞船技术，抵达半人马座需要3万年。”俄罗斯投资人尤里·米尔纳介绍，该计划将通过卫星向太空释放数千个纳米飞行器，飞行器的形状如同一只背后有帆的蝴蝶，采用纳米技术，通过光束供能，时速1亿英里，是目前太空飞船速度的1000倍。

“55年前的今天，尤里·加加林成为人类进入太空的第一人。”米尔纳说，“今天，我们正在准备下一个巨大飞跃。”

3、技术难点

半人马座（Centaurus）阿尔法星包括三颗恒星，分别为半人马座α星A、半人马座α星B、半人马座α星C。其中，半人马座α星A、半人马座α星B靠得很近，是一个双星系统，中国古代称为南门二。半人马座α星C，一般称为比邻星，是距离太阳最近的一颗恒星（4.2光年），恒星分类属于红矮星。很多科幻电影或科幻小说都将其作为星际旅行的目的地，刘慈欣在科幻小说《三体》中也提到了半人马座阿尔法星。

即使使用目前最先进的航天器，到半人马座阿尔法星也需要万年以上。以“新视野号”为例，它需要14000年以上才能到达半人马座阿尔法星。而“突破摄星”计划提出制造“纳米飞行器”，可以在短短几分钟内加速到光速的五分之一，即每秒钟飞行6万公里。也就是说，“纳米飞行器”能在二三十年内达到半人马座阿尔法星，带去人类信息，也把那里的信息带回地球。

突破摄星计划将会使用激光推动的飞行器

科学家们设想，“纳米飞行器”主要由两部分构成：计算机芯片大小的“星芯片”和不过几百个原子那么厚的“太阳帆”。其中，仅有数克重的星芯片上携带着摄影、导航和通信等设备。这个“纳米飞行器”的动力来源于激光：科学家先在地球上建造大规模的地基激光发射器，然后发射一个航天器，将数千个“纳米飞行器”带入太空。“纳米飞行器”进入太空后张开光帆，地面上的激光发射器聚焦激光束，发射强大能量的激光，把激光打在光帆上，提供“纳米飞行器”飞行的动力。

从理论上说，这个计划是可行的，但在工程技术上，实现难度很大。

难点之一：激光推进需要在地面建设强大激光源，不断地跟踪、照射飞行器。但如何做到让地球上激光源一直瞄准太空中这么小的“纳米飞行器”？

难点之二：光的能量与距离平方成反比，随着飞行器离地球越来越远，激光所能提供的动能也会迅速衰减。“纳米飞行器”能获得足够的能量飞行4光年吗？

难点之三：即便“纳米飞行器”真的飞到了比邻星，如何把信息传回来？现在航天器上都有一个外形像锅一样的天线，向地球方向发射无线电波，然后被地球上的大天线接收。这种方法显然不适用于小巧的“纳米飞行器”。那么，我们需要一种全新的通信技术，既轻便、又能避免能量的快速衰减。目前，还不知道这种通信技术是什么。

设想中的激光发射装置

难点之四：高速飞行时的撞击。

“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。

飞行器要解决与太空中物质撞击的问题

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。