【博科园-科学科普】或许你都熟悉太阳帆探索太阳系的想法，利用来自太阳的光压力。但还有另一个推进系统可以利用太阳的力量——电子帆，这是一个令人兴奋的想法。
什么是电帆？
令人的兴奋：太阳帆，核火箭、离子引擎等等。但是还有一个推进系统不断涌现，但这是一个最好的思想在一段时间的——电动帆
“太阳帆示范任务”的艺术概念图，将使用激光进行导航。图片：NASA
正如你可能知道的太阳帆的工作原理是利用来自太阳的光的光子。虽然光子是无质量的，但它们确实有动量，而且当它们从反射表面反弹回来时，它们就能传输。
除了光，太阳还会喷出一股稳定的带电粒子——太阳风。由Pekka Janhunen博士领导的一个由芬兰的工程师组成的团队已经提议建造一种电子帆，它将利用这些粒子将宇宙飞船送入太阳系。
为了理解这是如何运作的，需要将一些概念：首先太阳的致命的辐射，有一股稳定的带电粒子流，主要是电子和质子，从太阳中心四面八方的分离出来。
太阳风在地球磁场“防御”中被称为磁层的可视化。南向的等离子体云能够剥离太阳表面的气泡层，并将它们叠加到地球的夜侧(中心，右)上。这些层可以被紧紧地挤压，以重新连接并将太阳能电子(黄色的闪光)直接送入高层大气，从而产生极光。图片：JPL
天文学家们并不完全确定，但太阳日冕的一些机制，上层大气加速了这些粒子的逃逸速度，速度从250公里到750公里不等。
太阳风远离太阳，进入太空可以看到它对彗星的影响，给它们以特征的尾巴，它形成了一个围绕太阳系统的气泡，被称为日光层。这是太阳的太阳风与银河中其他恒星的共同太阳风相遇的地方。
事实上，NASA的旅行者号飞船最近通过了这个区域，最终进入了星际空间。
太阳风确实会产生一种直接的压力，就像实际的风，但它非常微弱，只有一小部分的光压力是太阳帆的经验。
这个艺术概念展示了旅行者1号宇宙飞船进入恒星之间的空间。星际空间由等离子体、电离气体(在这里显示为棕色的烟雾)主导，这是数百万年前由巨大的恒星所抛弃的。图片版权：NASA
但是太阳风是带负电的，这是关键。一电帆的工作原理是：用一根非常细的电线，仅仅25微米厚，但20公里长。这艘飞船装备了太阳能电池板和电子枪，只需几百瓦就能运行。
通过将电子发射到太空，航天器保持高度正能量。当来自太阳的带负电荷的粒子遇到带正电荷的物体时会“看到”一个巨大的障碍，直径100米并撞上。
通过将它们的动量注入到tether和航天器中，离子会加速它远离太阳。
加速度的量很弱，但它是来自太阳的恒压，可以在很长一段时间内加起来。例如如果一个1000公斤的宇宙飞船有100条这样的电线延伸到各个方向，它可以得到每秒1毫米的加速度。
在第一秒内，它移动了1毫米，然后是2毫米，等等。在一年的时间里，这艘飞船可以达到30千米/秒。只是为了比较，最快的宇宙飞船，NASA的旅行者1号，仅仅是17千米/秒。所以速度要快得多，绝对是在脱离太阳系的速度上。
实际上这种方法的缺点之一是它不会在地球的磁层中工作。因此一艘电动帆船需要由一架传统的火箭从地球上运走，然后才能展开它的帆，向外太空驶去。
想知道这是不是一个离开太阳的单程旅行，但实际上不是，就像太阳帆一样，电动风帆也可以旋转。根据太阳风击打的方向，它可以提高或降低航天器在太阳的轨道。
在一边的航行中，将它的轨道提升到太阳系外。但你也可以撞击另一边，降低它的轨道，让它进入太阳系内部。它是一个不可思议的多才多艺的推进系统，而太阳完成了所有的工作。
虽然这听起来像科幻小说，但实际上在作品中有一些测试。爱沙尼亚的一颗原型卫星于2013年发射升空，但它的发动机未能将缆绳卷走。芬兰的aalto - 1卫星于2017年6月发射，其中一项实验是测试电帆。
我们应该弄清楚这项技术在今年晚些时候是否可行。考虑这个推进系统的不只是芬兰人。2015年美国国家航空航天局(NASA)宣布已经授予Pekka Janhunen博士和他的团队的第二阶段创新先进概念，以探索该技术如何在比其他方法更短的时间内到达外太阳系。
Heliopause静电快速传输系统，或者HERTS航天器将从中心向外延伸20个这样的电塔，形成一个巨大的圆形电帆来捕捉太阳风。通过缓慢旋转航天器，离心力将会拉伸到这个圆形。
NASA的Heliopause静电快速运输系统概念图，图片：NASA
带正电荷的每条缆绳就像一个巨大的太阳风屏障，一旦它从地球上发射，它就能有效地发射出600平方公里的面积。当它从地球上走得更远时，它的有效区域在到达木星的时候就增加到1200平方公里。
当太阳帆开始失去动力时，电帆只会不断地加速。事实上它会一直加速到天王星的轨道。
如果这项技术成功，HERTS的任务将在10年内到达，旅行者1 35年才到达这个距离。
当宇宙飞船旋转时，通过改变每根电线上的电压，可以让整个帆在一边或另一边以不同的方式在太阳风中相互作用。可以驾驶整个太空船，就像在船上的船帆一样。
2017年9月，芬兰气象研究所(芬兰气象研究所)的一组研究人员宣布了一个非常激进的想法，即如何利用电子帆全面探测小行星带。他们建议建造一个50公斤重的5公斤重的卫星，而不是单一的宇宙飞船。每个人都能自己长出20公里长的绳子，抓住太阳的太阳风。在为期3年的任务中，宇宙飞船将会飞向小行星带，并访问几个不同的太空岩石。整个舰队很可能会探索300个不同的物体。
这幅图描绘了太阳系中大多数小行星的发现——火星和木星之间的小行星带，以及特洛伊人，两组小行星在木星轨道围绕太阳运行之前和之后移动。
每个航天器将配备一个只有40毫米口径的小型望远镜。这大约相当于一个发现范围的大小，或者是半双望远镜，但它足以解决直径为100米的小行星表面的特征。拥有红外光谱仪，能够确定每颗小行星由什么矿物组成。这是发现价值10万亿美元的固体铂小行星的好方法。
据研究人员称可以完成约7000万美元的任务，将每颗小行星的分析成本降至24万美元左右。与其他研究小行星的方法相比，这是很便宜的。
太空探索使用传统的化学火箭，因为它们是已知和可靠的。当然也有缺点，但能带我们穿越太阳系，到离地球几十亿公里远的地方。
但在工程中还有其他形式的推进，比如电帆。在接下来的几十年里，我们将会看到越来越多的这些想法付诸实践。一个可以携带宇宙飞船进入太阳系外缘的无燃料推进系统？
知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：Fraser Cain
来自：Universe Today
编译：中子星
审校：博科园
