未来航天器发展：利用星光和激光驱动石墨烯帆航天器

目前几乎所有的火箭都依靠化学反应燃烧所产生的推力。它们最大的问题是需要很多的燃料。科学家认为，太阳帆飞船可能是人类星际旅行的惟一希望，它无须火箭燃料，只要有阳光存在的地方，它都会不断获得动力加速飞行。

什么是太阳帆呢？太阳帆（也称为光帆，特别是它使用来自于太阳以外的光源时）是使用巨大的薄膜镜片，以太阳的辐射压做为太空船推进力的一种计划。辐射压非常小，但不同于火箭的是，太阳帆不需要燃料。推进力虽然很小，但是只要太阳继续照耀着，太阳帆就能继续运作。

迄今为止最成功的光帆实验是依靠太阳辐射加速的星际风筝简称IKAROS，是由日本宇宙航空研究开发机构开发的试验性太空探测器。IKAROS于2010年5月21日以日本的 H-IIA 火箭和破晓号金星气象卫星以及其他四个小卫星一起发射。IKAROS 是一个正方形的帆，以四个角落的 0.5 公斤末端载重控制旋转，帆的对角线长 20 米，使用厚 7.5 μm 的聚酰亚胺薄膜。

然而，太阳帆也有它的局限，如果轨道高度低于800km，太阳帆基本就没有用武之地了，因为此时大气阻力的影响比光压要大许多。只有当轨道高度大于这个限度时，太阳帆才能在光压的推动之下产生一个非常微小的加速度，通过数月的累积达到足够的速度。太阳帆通常要做得很大，而载荷相比之下就非常小了。直到现在，太阳帆的展开依旧是一个不小的难题。科学家们认为，用激光器阵列来推动风帆，或许是有可能的。这个激光阵列可能在地球上，在月球或火星基地，或者在一个轨道平台上。

最近科学家在进行失重实验，在微重力条件下，通过向石墨烯碎片发射低功率激光器，可以加速硬币大小的石墨烯碎片。这项技术可以成为石墨烯太阳帆的垫脚石，它可以利用星光或激光阵列推动未来航天器发展。

该材料是由荷兰代尔夫特理工大学和爱沙尼亚的初创公司Scale Nanotech开发的。该项目在欧洲航天局的支持下，正在实验使用石墨烯开发原型光帆。

为了制作这些风帆，该团队精心制作了一层原子级2D薄膜，上面打上了细小的孔，并在上面覆盖了一层石墨烯。接下来，他们来到了德国不来梅大学的ZARM空投塔，这是一个位于德国不来梅大学的实验室，利用146米长的钢管模拟微重力条件来测试他们的石墨烯币。当材料在失重的情况下下落并有效漂浮时，用1W的激光器对其轰击，使其加速1 m/s2。激光中的光子对材料施加了一个压力，导致材料的移动速度越来越快。

该研究团队负责人认为，石墨烯是开发实用光帆的另一种解决方案。研究人员展示了一种新颖风帆设计，通过使用打孔薄膜降低了风帆的整体质量，实现了帆全面积光学性能。巨大风帆在太空中部署是一个严峻的挑战，该研究中介绍的这种制造相对简单，可以很容易地将其规模扩大。美国的 “突破之星 “计划，在30年内，搭载约14万平方米，4克重的帆借助8.5GW激光器以15%的光速航行，以到达离太阳系最近的恒星半人马座α。该研究中石墨烯帆能够实现这种类型的极限帆。他说，最大的挑战是所需的激光功率太大。它不仅需要成千上万或数百万个激光器同步，这样的激光系统可能会被用作武器。这可能造成政治困境。

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