纳米快报发表论文

多年来，物理学家一直在努力完善一种以五分之一光速发射太空探测器的方法。一个团队正在标记蓝图的一个重要部分。

距离我们的太阳系只有大约 4 光年的地方是 Alpha Centauri，另一个繁华的太空社区。它由与我们的太阳相同工作的三颗恒星锚定，拥有类似于我们的八个著名球体的行星，甚至可能有一个地球双胞胎在宜居区闲逛。几乎就像另一个现实一样，恒星系统对于太空 探索 者来说是一个诱人的区域。

只有一个明显的问题。凭借我们目前的技术，向半人马座阿尔法星发射的航天器要到 82022 年左右才能到达。这就是为什么在 2016 年，已故天体物理学家史蒂芬霍金和投资者尤里米尔纳发起了突破摄星计划——一项旨在发送微芯片大小的太空探测器的计划。以 20% 的光速到达半人马座阿尔法星，将惊人的旅行时间缩短到仅仅 20 年。

他们的蓝图以光帆为中心，该光帆利用光子的能量，也就是光粒子，由地球激光发射，而不是像传统帆那样使用风。尽管它与《星际迷航》的科幻技术相得益彰，但这个想法却广受欢迎，以至于各地的研究人员都开始研究如何将这个装置付诸实践，希望能制造 出一种以令人眼花缭乱的速度在宇宙中爆炸的超光速引擎。

来自宾夕法尼亚大学的一个这样的团队正在解决一大块难题。在本月发表在《纳米快报》杂志上的两篇论文中 ， 研究人员提出了一种方法，以确保这些创新的航天器在长达 20 年的星际航行中不会因强烈的激光脉冲而撕裂。基本上，研究人员提出，帆必须在太空中“翻滚”，就像标准的船帆在地球风中摇摆一样。

在中心可以看到红矮星，它的两颗行星在附近，另外两颗双星半人马座阿尔法星在背景中。

宾夕法尼亚大学机械工程和应用力学系副教授、研究作者伊戈尔·巴尔加廷 (Igor Bargatin) 说：“早期的一些光帆数字正在滚滚，有些则没有，但没有得到很好的研究。”

“我们所做的是表明你肯定需要滚滚。

Bargatin 补充道“我们意识到人们并没有真正研究过问题的机制，特别是眼泪的可能性”。

“我们不希望这些帆失败。”

想象一艘挂着帆的船冒险出海。风帆将随着每一阵风而升起，推动船只前进。之所以会产生这种推进力，是因为撞击帆的风会反弹，从而产生压力。

光帆并没有那么不同。

Bargatin 说“当光子撞击我们的光帆时，它们会被反射并产生压力”

“确切的机制有点不同，因为我们谈论的是光与实际的空气分子。但它们在两种情况下都会产生压力。”

事实上，这些设备已经在一定程度上被证明是有效的。

2010 年，日本宇宙航空研究开发机构发射了一项名为 Ikaros 的光帆飞行任务，并认为它取得了成功。2019 年，实验性 LightSail 2紧随其后。由 Bill Nye 和 Neil DeGrasse Tyson 发起的 Kickstarter 活动资助，它使用纯光子能量在太空中移动了一颗小型卫星。

但 Ikaros 和 LightSail 2 都使用了来自太阳的光，这与 Breakthrough Starshot 的激光束视觉形成鲜明对比。

虽然阳光可以降低流泪的风险，但它对于 Starshot 的努力来说太弱了。此外，Bargatin 说，Starshot 光脉冲必须在相对较短的时间内发生，因为一旦光帆离地球太远，科学家就会失去有效加速它的能力。

简而言之，为了达到光速的五分之一——因此它可以在所需的 20 年内进入半人马座阿尔法星——在一个严格的窗口内，光帆需要极强的光脉冲，只有激光才能实现。

Bargatin 说“我们光帆的设计压力并不”

“它们就像手上有一分钱一样”

在科学术语中，压力加起来约为 10 帕斯卡，但考虑一下我们如何在完全不担心轻微压力 的情况下过我们的生活。

十帕斯卡的光力需要大量的激光功率，因此与 Ikaros 用纤细的太阳光共舞不同，带有超强激光脉冲的光帆可能会受到严重损坏。

根据研究人员的说法，强激光脉冲可以产生足够大的压力，足以弯曲和撕裂床单，就像绷紧的船帆在被大风击中时可能会撕裂一样。

他们认为光帆必须具有“翻滚”并形成类似于降落伞的弯曲形状的能力。Bargatin 解释说，在他们的新论文中，作者概述了确保最佳翻滚的几何测量，帆的长度和曲率半径都应该在 3 米左右。

然而，即使是没有眼泪的光帆也会遇到其他障碍。为了克服这些问题，要考虑的主要参数是帆材料。板材必须坚固耐用，重量轻，以最大限度地降低激光强度，有效地反射光以实现理想的推进，并散发激光脉冲产生的热量。

Bargatin 说，如果不处理后一点，风帆可能会在太空中 融化。

“你可以想出一种材料的组合。这些材料的厚度和弯曲的几何形状将使帆能够承受我们目前设计的压力，”Bargatin 说，并指出他的团队主要研究一种叫做钼的材料二硫化物。

然而，在宏伟的计划中，建造能够向前发射光帆的大型激光阵列将是一个很大的障碍。Bargatin 说“从事天基通信的研究人员还在研究如何从连接到光帆的微芯片探测器中检索信息”

如果突破摄星的机制有朝一日奏效，那将是人类在科学领域的辉煌成就的真实证明。六年前，霍金在宣布该组织的宏伟目标时表示：

“我相信让我们与众不同的是超越我们的极限。重力将我们钉在地上，但我刚刚飞到美国。我失去了声音，但我仍然可以说话，这要归功于我的语音合成器。我们如何超越这些限制？

“用我们的思想和我们的机器。”

锂硫电池在提高电动汽车续航里程方面具有良好的前景。但由于其循环寿命比锂电池短得多，一直没有在市场上应用，美国PNNL的一项研究为其普及提供了可能。最近，PNNL研究人员在美国《纳米快报》上发表文章称，使用独特的粉末纳米材料可以有效改善锂硫电池的短循环寿命，其容量比锂电池高4倍。研究人员表示，锂硫电池最大的问题是，含有硫的阴极会慢慢溶解在电池内部，形成一种溶解在电解液中的多硫化物，而这个过程是不可逆的，导致阴极材料越来越少，极大地影响了电池寿命。为了克服这个问题，PNNL的研究人员发明了一种独特的粉末纳米材料，称为“金属有机框架”，它是多孔的，可以在阴极内部聚集硫分子。PNNL研究员张建明说，“有机金属框架”的作用是收集硫并将其保留在电池阴极内，从而延长电池寿命。目前，PNNL改进的锂硫电池经过100次充放电仍能保持89%的能量。