雖然人類已經進入太空時代超過半個世紀，但幾乎所有太空人都不過在地球門口徘徊。如果把地球縮小成一個棒球，太空人都只不過離棒球表面兩張信用卡厚度這麼高（阿波羅太空人除外），太陽系邊陲的冥王星將遠在35公里外。這還不算什麼，離太陽系最近的恆星半人馬座α（Alpha Centauri，中文又叫「南門二」）離這一顆棒球將近250,000公里！

面對如此浩瀚的宇宙，人類目前所用的火箭很難在人們的有生之年離開太陽系，更別提拜訪其他的恆星系了。其他可能的火箭技術，例如核子動力火箭、巴薩德衝壓火箭（Bussard ramjet）、反物質火箭、甚至傳說中的「不可能引擎」EM Drive、曲速引擎、蟲洞...這些都離現實太遠了，怎麼辦？

最近一種叫做「光帆」的未來推進技術特別紅， 特別是今年四月俄國億萬富豪Yuri Milner提出的「突破攝星」計劃，還找出霍金老博士背書，要用超強雷射把配備有光帆的微型太空船加速到光速的五分之一，好在20年內到達半人馬座α。

什麼是「光帆」

目前幾乎所有的火箭都依靠化學反應燃燒所產生的推力。它們最大的問題是需要很多的燃料。這些火箭就像在船上放個電風扇把空氣往後吹來推動船。雖然夠力，但電用完就沒了。怎麼辦？你得拖一大桶油來發電，但是為了拉這麼多油，你需要更大的電風扇，但大電風扇又更耗電，只好拖更多油，那又得換更大的風扇...沒完沒了，永遠過不了海。

另一個辦法是帆船，只要風夠大，連油錢都省了。太空中當然沒有風，但是太陽光可以產生光壓。風能推動帆船是因為空氣的動量傳遞給帆船，在帆面產生氣壓，讓帆船取得動量而能前進。光線雖然沒有質量，但是現在物理告訴我們它仍然有動量，如果太空船有一面大鏡子，就可以從光獲取動量，產生光壓。這個力量雖小，但只要鏡子夠大又能充分反射陽光，也能產生相當的推力。這樣的技術叫「太陽帆」（solar sail）。科學家早就有這個構想，17世紀的天文學鼻祖克普勒看到慧星尾巴被太陽吹到一邊，就寫信給伽利略說：「或許有一天能做一艘利用天外的風的帆船。」，連19世紀的著名科幻作家，《海底兩萬里》的作者凡爾納（Jules Verne）就提出利用太陽光航行星際的可能性，美國日本甚至民間組織都小規模試過。

太陽帆 Solar Sail

陽光的光壓有能多大？抱歉得很，在地球附近半個足球場大的太陽帆大概才相當於你吹氣產生的力量，加速度雖然很小，但是免費的推力就別要求太多，而且假以時日仍然能讓太空船達到高速。

太陽帆最大的好處是技術相對簡單， 所需要的只是一片巨大的鏡子，目前常採用的材質是鍍鋁的反光聚醯亞胺（Polyimide）塑膠薄片， 厚度比頭髮還要細。因為這麼大的薄膜鏡子沒有辦法裝進火箭裡，因此它在地面時是摺疊的，在發射進入太空之後再像雨傘般打開。最成功的例子是日本的太空船「IKAROS」，它借助太陽帆飛到金星附近， 是世界上第一個實際應用太陽帆的太空船 ，至今仍然在太空中執行任務。

 
日本IKAROS的太陽帆在太空中展開的照片。（圖片來源：JAXA）

對了，注意到了嗎？IKAROS是逆著太陽光飛向太陽的， 這是因為IKAROS可以調整帆的方向，用太陽光產生阻力減低速度，失去動人的太空船就受太陽引力被拉近太陽，而進入金星軌道。 同樣的，他也可以調整太陽帆的方向而加速遠離太陽。

不要以為只有這種到別的星球的太空船才需要太陽帆，它也可以應用在一般人造衛星的軌道調整 ，這樣的人造衛星就可以不需要攜帶燃料。未來也有許多計劃中的太陽帆太空船，比如美國民間組織行星協會（The Planetary Society）的Lightsail，歐洲的”Gossamer”和”CubeSail”，美國NASA有”Near Earth Asteroid Scout”、”Lunar Flashlight”等。不過這一些太空船都不能飛得太快，因為它們的帆不夠大，能到太陽系內其他的行星就不錯了。

行星協會的Lightsail，目前使用太陽帆的太空船設計都大同小異。太陽帆歷年來失敗多次，經常是因為帆在太空中打結，沒辦法展開。（圖片來源：The Planetary Society）
  

如果要用太陽帆船推動大型星艦，那這個帆就必須非常大，才有足夠的力量推動。圖片中的太陽帆有一點不科學：如果帆是透明的，就代它沒有反射能力，轉換太陽光動量的效率就大打折扣。（圖片來源：taringa.net）
 

當年我師父說我英文太差，就送我這本書加強閱讀能力，我不知道他為什麼不給我比較符合程度的《白雪公主》。重點是封面中的太陽帆是長條狀的，太空船一旋轉就可以依靠離心力把太陽帆像鋪紅地毯一樣展開，和現在流行的四角形太陽帆相比，結構簡單不容易出錯。

雷射光帆

太陽光產生的光壓這麼小，實在等不及了。如果要加快太空船的腳步，為何不用人造的光源來產生更大的光壓。這就像在岸上設置大型電風扇來推動帆船！用電風扇吹帆船聽起來有點好笑，但原則上強力的雷射光是可以很有效率的傳遞能量。一般光的能量與距離平方成反比，隨著飛行器離地球越來越遠，但是雷射光是單方向的光線，基本上沒有這個問題。使用雷射光帆的太空船能夠飛多快呢？ 只要你有足夠的能量，理論上它的速度可以趨近光速。 這就是為什麼「突破攝星」認為以地球目前的科技能力，就可以把微型太空船加速到光速的五分之一。

NASA最近也開始研究「光子推進」計畫，打算使用雷射光帆技術讓一百公斤級的太空船在三天內抵達火星。如果是載人太空船，就會比較重，要花大約一個月。目前這個計劃的細節還不太清楚，但是讓我們來想像一下：未來地球和火星的軌道上各有一個太空站，用大型的太陽能板提供能量給超強雷射，這兩各太空站一推一送， 就變成地球和火星間的高速纜車，從此星際旅行變得快速又便宜。怎麼樣，想不想到我們火星玩？

這個是雷射光帆的一個變種，左邊的大型太空站發出的是電漿束，推動右邊的太空船。如果未來太陽系內的每一個行星都設置這樣的太空站，太空旅行將變得非常便利。（圖片來源：NASA）

至於有沒有可能在20年內到達下一個恆星系，且聽下回分解。

圖片來源：突破攝星

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