其實早期更嚴重的意外都發生過。曾有四個核反應堆從軌道上落下來,不過好在沒有一個造成過放射性碎片的散佈。事實上,一顆蘇聯核動力衛星曾一頭栽進加拿大的樹林裡,而它的放射性是如此之小,以至於我們連找到它的辦法都沒有。被堅硬的陶瓷保護著的鈽沒有繼續反應,當然也不會危害到人體。
在這些對舊日榮光的回溯之外,nasa還在考慮建造核驅動的離子火箭,它排出的氫氣速度達到了250千米每秒,這不得不說是一項長足的進步。但離子火箭的總推力比較小,僅適合於長距離小載荷的任務。
使用氫作為推進工質可以提高噴氣速度(在給定的溫度下,質量越小的分子運動得越快),而且只要能找到水,我們就能從中分離出氫。我們的探測器已經發現,火星表面幾米深處就藏有大量的冰。彗星和木星的含冰衛星都是潛在的「加油站」。
但將氫保持在液態,需要複雜的技術和謹慎的操作。水相對來說更方便攜帶,雖然它的噴氣速度只有氫的三分之一。基於這一點,很多人認為我們宇宙擴張的動力之源,將不會是什麼稀奇古怪的燃料,而是原始的水。
靠星吃星
如果我們當初沒有放棄核動力專案,現在的宇航工業將會是什麼樣子的呢?結論是,這條未被走過的小徑或許已經將我們帶到了太陽系的其他行星上。
從二十世紀七十年代早期到二十一世紀初,核動力火箭被忽視了將近半個世紀,這實在是讓人惋惜。因為鈾和鈽產生的能量,是同樣重量的化學燃料——比如說氫氧燃燒——的上萬倍。
如果沿著這條路走下去,從地球上的發射架到冥王星,未來的火箭很可能是「蒸汽式」的——先由化學火箭將核動力飛船帶到大氣層外,後者將在那裡開始工作;而不管是液氧和液氫化合,還是讓水流過核反應堆,火箭尾部都將形成一道壯觀的蒸汽柱。
高能效才撐得起宇宙商業。2002年開始的核動力計劃「普羅米修斯」(官僚機構總是偏愛炫酷的名字),讓nasa重新找回實現這一切的可能。
第一次實打實的火星探索,或許會遵循在目的地「加油」這一基本原則。靠星吃星,而不是把大量燃料帶在身上。補充燃料對於核動力飛船來說要容易得多,因為它們需要的僅僅是水——很容易找到和採集。當然,前提是選對目的地。幾乎所有的系內天體都和骨頭一樣乾燥,或者更加乾燥。如果地球上的人行道磚塊出現在了月球上,人們甚至會利用它來收集水,因為那裡的其他所有東西都比它乾燥多了。
火星則是另一番景緻。一般認為,在太陽誕生初期,灼熱的太陽放出的輻射會將較輕的元素往外吹。這一過程使近日星體變得乾燥,使更遠的星體變得潮溼。後者主要是巨型氣態行星,冰和各種氣體在它們厚重的大氣層中橫衝直撞。但最近在火星被紫外線烤焦的表層之下,我們發現它其實很潮溼。由於沒有多少大氣層,它地殼中的水分都被真空給吸乾了。而在地殼之下,則是厚厚的冰層,在兩極處甚至能找到雪和冰川。所以該處的探索者們可以很快速地補充燃料,只需要融化地表之下的冰,然後將水收集進飛船就好了。
木星和其他巨型氣態行星的衛星也可以作為「加油站」,不過它們一般執行在這些大傢伙的重力井深處,意味著到達那裡需要很大的速度增量。相反,冥王星就是一個更便捷的目的地——體型小,陰冷,相對較大的含冰衛星它更像是一個年輕的兄弟。這些條件決定了冥王星雖然很遙遠,但相對來說到達那裡需要的速度增量更小。
當然,我們還可以用水來做更復雜的事:在其中通入電流,將電解出的氧氣儲存起來以供呼吸,將氫液化以用作推進工質。對於一艘核動力飛船而言,這無疑是最有效的方法。
但儲存液氫的裝置很笨重,並且容易出故障——想象它在零下200多度的深空中持續執行很多年後會出的毛病吧。火星的大氣主要是二氧化碳,所以一個更好的方案是拿氫和它反應,生成的氧氣和甲烷都易於儲存。反過來,用它們來燃燒,將為化學火箭提供高效的動力。在火星上建一個永久性的核電站,就可以為這一過程提供足夠的能量。
當然,上述過程需要先在目的地進行基礎建設。如果是實打實的探險,比如,去看看木星衛星歐羅巴的深海中隱藏的奧秘,就需要帶上一個大型核反應堆,以提供動力,以及從含冰天體中收集水分所需的能源。
nasa正在論證的使用核動力離子推進器航向歐羅巴的計劃。它將在太空中徑直航行七年,降落,然後派出探測車。測試這麼長時間跨度內持續推進的可行性需要很多年的時間,所以這個任務最早也要等到下一個十年去了。
更好的方案是,建造一艘向後噴射高溫氣體的核裂變飛船。如果它可以將歐羅巴上的表面冰融化,它就可以利用這些水,帶著樣品返回地球。
一個大型核反應堆還可以派上更多用場。探索那片深海的最緊迫任務是,打穿它上面數英里甚至數百英里厚的冰層。人類能想到的所有鑽頭都做不到這一點,但普通的熱水卻可以。我們只需要將水倒下去,並不斷加熱,水就會在冰層上緩慢地鑽出一個洞來。在南極人們曾這樣做過,並且成功了。
為了尋找歐羅巴上的生命跡象,我們需要將深海潛艇放進那黑暗、冷入骨髓的海洋裡。堅硬粗大並且綿延幾十公里長的電纜線將為其提供能源,就像在「泰坦尼克號」和俾斯麥戰艦的殘骸中工作的水下機器人一樣。只有核反應才能在太空中提供如此巨大的能量。
「宇宙無畏號」
太空很大。在其間搬運小行星或是其他大質量物體,要求飛船足夠大。這說明未來的趨勢是巨型的核動力飛船。
載荷將被放入一個圓筒狀艙室內,它的下面是巨大的推進工質艙,其中的物質,很可能是普通的水——將被泵進反應堆。當然,對於載人飛船來說這是唯一可行的設計,因為水能讓宇航員遠離核反應堆以及從磁噴嘴處出來的等離子束。不過為了能夠觀察並除錯等離子束,一個後視鏡將在飛船側面伴飛。在與推進火箭分離,核反應堆開始供能後,這套裝置將在完全失重的狀態下完成它的大部分航程。
上部那個厚壁圓盤將會旋轉,以產生離心力,從而使宇航員可以選擇他們想要的重力環境。圓盤直徑可能會有40米,看起來像個正在緩慢旋轉著的天使蛋糕。外壁應該有差不多一米厚,並且為了防輻射會裝滿水。除非使用電子裝置,否則,人們將不能用肉眼直接觀察艙外。
在較為可信的早期設計中,一艘飛船會有上百米長,尾部噴出的離子流在飄散到太空中前,會拉出上萬米長的藍白尾焰。等離子體在尾焰中劇烈反應,離子和電子相互碰撞,重新聚合成原子,放出刺眼的光芒。這束筆直指向船尾的藍色無比明亮,以至於飛船飛離地球軌道的時候,人們甚至可以在地上用肉眼直接觀察到它。
普通的裂變裝置發電能力很強,但缺少用於撞開原子核的中子。這就是為什麼我們通過放入和拔出碳棒來控制核電站——碳可以吸收裂變元素堆中的中子,使其冷卻,防止過熱。
而可控熱核聚變技術的誕生,將引爆核裝置領域的下一次革命。
類似氫彈,聚變通過讓較輕的原子核,比如說氫和氦,相互撞擊聚合產生能量。相比於裂變,聚變過程富含高溫粒子,但產能並不高。
很少有宇航飛船工程師關注聚變,因為從半個世紀前開始直到今天,懷疑者一直在說,可控核聚變供電的實現至少還需要20年。聚變需要磁約束裝置來控制熱等離子流,因為普通物質承受不了它的侵害。其中設計得最成功的傢伙大多長得像個甜甜圈,比如源於俄國、現今最常見的托克馬克裝置。
為了把這個裝置變成推進器,我們需要破壞這個甜甜圈。聚變引擎和聚變電站的工作原理相反——我們放開約束,讓離子飛出去,然後再次填滿這個甜甜圈,繼續反應。
聚變引擎的核心就是這種即停即走式的甜甜圈:控制住等離子體,然後通過一條磁管道將其向後噴射出去。目前還未設計成功的聚變發電裝置,要求的是盡力約束住聚變中的高溫等離子體,而聚變引擎需要的則是放開約束。聚變引擎將發展出一種完全不同的飛船,它們的噴氣速度要遠高於裂變式引擎。
離開遠地軌道後,直到飛出範艾倫輻射帶足夠遠,飛船的聚變引擎才會點火。範艾倫輻射帶由被地磁場捕獲的帶電粒子構成,在這個範圍內,四散飛出的離子流會使環地軌道上無數通訊和科學衛星短路。(這事兒真的發生過——1962年美國的「一流星魚」計劃,人類有史以來當量最大的太空核爆在範艾倫輻射帶內引爆了一顆氫彈。現在我們很難相信曾有人這麼幹過,不過那個年代真的很特殊。離子和電子瞬間將美國的通訊衛星——大部分都屬於國防部——籠罩,並使其短路。爆炸後一個小時之內失靈的監視衛星,讓美國忽然之間損失了超過十億美元。這個驚人的鬧劇再也沒有發生過。)
遠望
所以,我們的未來將會是太空歌劇式的嗎?如果這意味著搭載龐大引擎的壯觀宇宙飛船,也許會是。但很遺憾,至少在科技可以預見的未來,恆星際航行還不太現實。
太空歌劇的其他方面則依賴於你的政治傾向。從冷血無情的商業力量中崛起的,會是伊恩·班克斯的無政府主義/社會主義帝國,還是羅伯特·海因萊因的自由意志主義社會?
我們目前對宇宙的開發主要是將納稅人的錢投進一些回報很低的專案中,比如其實並沒有做多少實驗的國際空間站。這些年俄羅斯負責運送我們的宇航員,而貨物則交給了埃隆·馬斯克的太空探索技術公司。我們需要的是「航向群星,駛離官僚」。隨著近地軌道旅遊、在更遠的軌道上實施維修作業以及資源收集——比如在小行星上採礦——的展開,私人太空時代已然開啟,並將持續前進。當然,這些都不過是在大海邊緣的小小試探罷了。
人類目前的困境來自於人口爆炸和環境的破壞,以及資源的減少。當然,多虧了科學家和工程師們的努力,我們涉過了大部分險灘,但我們不能總是把社會問題的解決都寄託在他們身上。
瑞克·特姆林森,太空活動的積極倡導者,曾這樣說過:「最終,在一個‘可持續’的社會中,幾乎你想做的所有事,都會成為別人所不能做的,而這就是限制。限制你出行的時間、地點和方式,限制你的消費額度,限制你家宅的大小,限制你的食物,限制你的工作,甚至限制你的壽命……地球的人口將持續增長。」
羅伯特·祖布林,一個雄辯的海因萊因式太空活動支援者,將太空看作是我們最後的和最遼遠的邊界。他這樣說服我們:「看看我們周圍,美國社會正比以往更加明顯地喪失著活力:階級固化和社會官僚化日益嚴重;政府機構軟弱無能,沒法推進大型專案;監管機制的癌性增殖,影響著私人生活和商業活動在內的社會生活的各個方面;非理性的擴張;流行文化不斷分裂;個人逐漸喪失冒險、捍衛自我以及獨立思考的意願;經濟停滯和衰退;技術創新變慢,人們甚至覺得進步不再是可能。不管你看向何方,我們都大難臨頭了。」
這是對整個太空文化最好的總結:空間疆域的革命者。他們大部分都是海因萊因式的自由意志主義者,拒絕相信政府機構將掌控宇宙的未來。
至此,我儘管一直在談論技術——為了探索或是賺錢,而在太陽系內搬運大質量物體的技術,但事實上,我們的最終目標都是拓展我們生存空間的邊界,從而激發心靈的創造力。就如同過去很多個世紀一樣,正是深埋在社會中的這一遠景,造就了現代文明。
我們會經歷很多失敗,而保持前行需要有人引領。
肯尼迪在聲援「阿波羅計劃」時這樣說:「我們選擇在這個十年登月以及實現其他的夢想,並不是因為它們容易達成,而恰恰是因為它們困難重重。這些計劃,將發揮並測驗我們科技和能源使用的最高極限。」
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