2023年1月10日反差 调教，好意思国宇航局官网发布了年度创新先进办法狡计的资助名单，共有20个口头入围，自后口头内容从容更新公布。

这些口头主要包括：射流千里镜、光泳鞭策、核能源加热探伤器、大型静电驱动空间结构的曲折成型、月球南极氧气管谈、颗粒束鞭策、新式双峰核热/核电鞭策、用于火星栖息地的生物矿物自生构建块、大型长波天文台、先进液体网罗时期、核聚变能源手电筒、衍射干与日冕仪系生手星领悟器、放射性同位素热辐射电板发电机、气凝胶核裂变碎屑火箭发动机、量子雷达、行星谨防系统、放射性同位素电鞭策系统、先进空中航行器静音固态鞭策安设、出息天文台、天外制药厂。

咱们接纳了其中9个与航天限制密切关系的创新决策，波及创新鞭策、小行星谨防、生命因循等，望望这些“黑科技”是如何使命的，它们有可能怎样改变东谈主类探索天外的“游戏章程”。

光泳鞭策：探伤地球大气放眼火星

中间层是地球大气层的一部分，高度大约为50～80千米。赫然，这个畛域关于气球和飞机过高，关于卫星等航天器又过低。到现在为止，东谈主类尚未对这个区域兑现踏实地历久探伤，仅有的常识主要源于火箭流程时徘徊的数分钟。

光泳鞭策决策露出图

为了兑现对中间层的探伤，好意思国宾夕法尼亚大学议论团队建议了一种新式鞭策系统办法。它不需要任何鞭策能量，仅通过光映照开导，就不错使航行器在大气层里历久漂流开动。

该议论主若是基于被称为“光泳悬浮”的气候，其旨趣是：相干于周边环境气体，当固体因照明被加热时，就会产生所谓“光泳力”，从而引起固体温暖体之间的动量交换。这种力不错使传感平台产生升力，同期在底部领受光，产生热量，但在顶部能够保持阴凉。

宾夕法尼亚大学的联想决策采选了具备两个不同面的板片，其顶部采选聚酯薄膜，用于保温，其底部的聚酯薄膜名义涂了一层由碳纳米管的轻捷棒状碳丝构成的“蓬松毯”。时期团队在实验室中各式空气压力下对该板片进行了演示考据，诠释了厘米级探伤器“无穷期”在空中漂流的可行性。天然平板长宽只须数厘米，但也不错安装普遍微型传感器。科学家们合计，对这项时期稍加改进后，就不错使传感平台取得水平推力，仅行使光动作鞭策源就能抵达中间层的任何方位。

此外，由于火星大气层的气压与地球的中间层一样，时期团队还在探索该时期在火星探索中的应用后劲。

晶格拘谨聚变：助力访问外星球海洋

为了议论外星球生命存在的可能性，科学家一直在外星球上寻找水资源。人所共知，许多外星球名义遮掩着厚厚的冰，比如谷神星、土卫二、冥王星和木卫二，冰盖厚度预测达到数十千米，底下存在巨大的液态海洋。这些外星球海洋可能是由其行星的潮汐力加热酿成的，或是由残留的放射性衰变酿成的。

思要探索这些外星球海洋，靠近繁多挑战。好意思国宇航局正在议论使用加热或钻孔探伤器穿过冰层、投入外星球里面海洋的可能性，并建议使用核能源探伤器，依靠放射性衰变产生热量，使外星球名义冰层溶解。不外，核能源探伤器受到安全性、价钱等规矩。

外星球冰层下海洋探伤器思象图

格伦议论中心建议了一种名为“晶格拘谨聚变”的新门径，主要通过燃料在金属晶格中发生聚变来提供能源。浮浅地说，导电金属如果具备很高的电子密度，两个轻原子核围聚时互相抛弃的可能性就会下落，晶格拘谨作用不错激勉带正电原子发生聚变。

现在，格伦议论中心的工程师们正在议论该门径能否为火星名义的微型无东谈主探伤器提供能源。由于晶格拘谨聚变方式不需要资本高、难以安全处理的易裂变材料（比如浓缩铀），异日时期训练后，其用途会愈加遍及，不仅能够怡悦天外任务所需，也有可能奇迹行家，比如为独栋建筑物提供电力，从而减少对化石燃料的依赖，并提高电网弹性。

新式双峰核热/核电鞭策：快速抵达火星有但愿

核热鞭策被公合计“太阳系载东谈主航天任务的首选鞭策时期”。冷战期间，好意思国、苏联都曾破耗数十年轻易议论核热鞭策，可惜实用化后果有限。2023年，好意思国宇航局资助了一项核鞭策口头，目的是研制双峰核鞭策，也等于由核热鞭策和核电鞭策共同构成的决策。该系统狡计使用所谓“波转子顶轮回”，从表面上不错将航天器赶赴火星的时分裁汰至仅45天。

按设思，核热鞭策通过核响应堆加热液氢鞭策剂，将其转换为电离氢气，然后通过喷管产生推力。核电鞭策则依靠核响应堆为霍尔效应鞭策器提供电力。霍尔效应鞭策器但愿行使磁场规矩电子的轴向洞开，使鞭策剂电离，促使离子加快洞开，产生推力，同期中庸羽状流中的离子，耕种安全性。

外星球冰层下海洋探伤器思象图

据公开贵寓通晓，最先进的核热鞭策决策是固体堆芯火箭核发动机时期，预测可提供900秒的比冲，是化学能火箭发动机的两倍。不外，核热火箭发动机比冲较高的背后是某些潜在的弱势，稀疏是履行高入轨速率任务时，其很难全程怡悦任务要求。比较之下，核电鞭策不错提供约100万秒的超高比冲，但推力较低，质料功率比有限，稀疏是对电源的需求恶化了散热问题，在理思条目下，热能转换率最高达到30%～40%。

针对诸如斯类的贫苦反差 调教，本口头建议了一种新式波转子顶轮回方式，鞭策系统有望获取与核热鞭策相配的推力，比冲能达到1400～2000秒，如果再配套核电鞭策，那么仅需增多最小的结构质料，比冲就不错进一步增至1800～4000秒。这种联想有望使45天到达火星的快速载东谈主航天任务成为可能，从而大大指责天地辐射、微重力等引发的健康风险，以致透顶改变东谈主类探索太阳系的征途。

放射性同位素热辐射电板：立方星“如虎添翼”

现在，大多数航天器由太阳能电板板提供能源，但在火星轨谈除外的深空或者在火星沙尘暴、月球漫漫永夜等恶劣环境下，阳光无法提供必要的能量。动作替代决策，许多航天器会捎带多用途放射性同位素安设，行使温度梯度发电，但这种安设比较重荷，在一定进程上制约了航天器的性能。

为管制该问题，罗切斯特理工学院建议了一种堪称“具备创新性兴致”的能源源——热辐射电板。与传统的多任务放射性同位素安设比较，其体积指责了3个数目级。

在骨子上，它是一种“反向使命”的太阳能电板板。当太阳能电板板领受光时，部分光能会转换为电能，大部分会转换为热能。热辐射电板使命校服热辐射元素旨趣，由铟、砷、锑、磷等元素构成电板面板，以红外光子形势开释的热量撞击面板，会产生与太阳能电板板内极性相悖的电位差。也等于说，热辐射电板行使热量发电，并以红外光子形势开释所消耗的能量，堪称在太阳能电板板的“反想法”使命，效劳更高。

如果这项新时期能够实用，那么探索木星乃至更远的深空任务，或者赶赴月球极地的永远暗影陨石坑的任务，探伤器有望吊销宽阔重荷的联想，使用捎带微型能源系统的立方星即可。

核裂变碎屑火箭发动机：寻找系外宜居星球

为了怡悦对先进鞭策决策的垂危需求，正子能源公司开发了一种核裂变碎屑火箭发动机。从表面上讲，它的鞭策效劳远远高于现在使用的火箭发动机，况兼不错在高功率密度下兑现卓越10万秒的高比冲。

其实，核裂变碎屑火箭发动机不是全新办法，与现在核电站响应堆的开动旨趣基本调换，但此前建议的核裂变碎屑火箭发动机联想都过于宽阔，而且热规矩太大，实用化需克服时期壅塞，比如颗粒等离子体悬浮等。

核能源火箭输送深空探伤器思象图

针对此类问题，正子能源公司试图通过两方面来管制：一是将核裂变材料装入超轻型气凝胶，确保参与核裂变响应的燃料颗粒固定在一皆，同期规矩全体结构质料，以便被送入轨谈；二是使用超导磁体拘谨响应产生的等离子体，将核裂变碎屑引至调换想法，进而有用转换为推力，防护碎屑碎裂发动机。

该能源系统的最终方针是驱动航天器流程15年傍边航行，抵达距离地球500个天文单元的太阳引力透镜位置，并实时进行减慢和生动，以便对100光年之外的系生手星进行凯旋成像和高分手率光谱分析。异日，部署在哪里的空间千里镜不错使探伤畛域穿越爱因斯坦环区域，拍摄系生手星的名义特征和宜居性迹象。

核能源火箭露出图

颗粒束鞭策：加快探索相近恒星

凭据模拟斟酌，使用传统鞭策器的航天器需要航行19000～81000年，智商到达太阳系之外最近的恒星比邻星，哪里距离地球约4.25光年。为此，工程师们一直在议论新的探伤器决策，但愿借助定向能光束（比如激光），将驱动探伤器的光帆加快到光速的一小部分，加快探索相近恒星。

好意思国加州大学洛杉矶分校的科研东谈主员更进一步，建议了颗粒波束决策。如果该决策成真，不错在不到20年内将约1吨有用载荷投送到500个天文单元距离之外。

事实上，推动光帆的光束是由轻捷颗粒构成的，每个颗粒借助激光消融加快到惊东谈主的高速，然后凭借动量来驱动航天器航行。与激光束不同，这些颗粒的发散速率没那么快，从而使加快更重的航天器成为可能。毕竟这些颗粒比光子重得多，捎带的动量更大，不错向航天器传递更大的力。

现时，空间探索受到火箭方程的规矩，只须两个探伤器穿越了日球层，投入星际空间。其中，旅行者1号探伤器以3.6个天文单元/年的速率航行了35年才到达日球层顶。加州大学洛杉矶分校建议的颗粒束鞭策决策大致能大大裁汰航天器这段漫长岁月：不到1年，有望到达系生手星；耗尽约3年，飞出100个天文单元；航行15年，赶赴500个天文单元之外的太阳引力透镜位置。更过错的是，颗粒束鞭策不错驱动约1吨重的航天器，大大拓展了任务允洽性。

颗粒束鞭策决策露出图

动作第一阶段使命，科研东谈主员将通过不同子系统的详备建模和办法考据实验来诠释颗粒束鞭策的可行性，要点探索颗粒束鞭策系统在星际任务中的作用。

小行星谨防：谋划“地球保卫战”

传统的小行星谨防门径主若是辐照航天器，撞击有恫吓的小行星，通过动量转换来改变小行星的轨谈，使其偏离地球。

2022年，加州大学科研东谈主员菲利普·鲁宾年建议了一种基于现存时期的小行星谨防决策，强调能量传递作用，主若是在天外中部署一系列微型超高速动能撞击器，闹翻和分解小行星或小彗星，然后行使地球大气层动作“盾牌”来指责碎屑恫吓。该门径既适用于预警时分较长的阻碍模式，也不错在小行星撞击地球前数分钟实时使用。

小行星谨防决策露出图

该议论口头旨在掌持撞击器高速碰撞来袭天体的物理特质，以及如何更有用地将来袭天体撞击成填塞小的碎屑。议论团队与好意思国宇航局超等斟酌机中心相助，使用流膂力学软件进行仿真，模拟测试不同来袭天体被撞击的效果。初步仿真已矣通晓，使用较小的撞击器就能够随意地使小行星碎屑化，且碎屑云呈放射状向外扩散。如果在预警时分短的模式下进行阻碍，碎屑云将投入大气层，但这些碎屑的体积终点小，因此不会落到大地，将在空中烧蚀殆尽。初步模拟标明，由此产生的声波和闪光将低于过错损害阈值。

该口头的第二阶段包括对上述仿真使命的进一步拓展，探索小行星谨防系统途径图的枢纽部分，包括对撞击器和模拟方针进行大地考研、议论大气化学效应、开展高频次巡天不雅测等。

先进空中交通：电气鞭策无东谈主机低噪声输送

所谓“先进空中交通”，是使用微型电动无东谈主航行器，开展城市内和城市间客运、货运及私东谈主业务。除了时期挑战外，住户反感噪声或许是该狡计最大的壅塞。

关系议论标明，使用电气鞭策安设的无东谈主垂直起降航行器在表面上能够履行空对空的航行任务。这种电气鞭策安设主要通过加快离子穿过电场来产生推力，果然是无声的，因此异日航行器有望怡悦住户对低噪声的需求。

电气鞭策低噪声无东谈主机露出图

迄今为止，议论使命东要聚会在办法航行器联想和鞭策器建模上。接下来，议论使命将聚焦航行器细节联想、制造，早日积攒航行考研。议论团队将制造一种具有垂直起降功能的考据机，与方针航行工具有调换的结构，通过航行考研和风洞测试来考据方针航行器联想模子，稀疏是鞭策器性能和噪声规矩效果，并进一步提高电子元器件的性能。

天外制药：历久呵护“天外东谈主”健康

疾病缜密、会诊和诊治关于东谈主类天外探索任务至关过错。现在，航天员主要依赖大地研制的药物诊治或缜密疾病，但这些药物在天外环境中偶然可靠，稀疏是小卵白（肽）这类药物，即使全心冷藏保存，其保质期也仅稀有月。跟着天外探索新期间到来，东谈主类将在地球轨谈除外开展历久探索任务，异日有可能络续在轨航行数年，那么管制东谈主类天外用药问题就成为广受眷注的焦点，在天外中“按需坐褥”无疑是根柢管制途径。

天外制药实验舱开动思象图

好意思国宇航局艾姆斯议论中心建议了在历久天外航行任务中行使细菌制造药物的决策。议论东谈主员在口头第一阶段矫正了枯草芽孢杆菌，尝试坐褥诊治辐射毁伤的药物和保护东谈主体骨骼健康的药物，并使用了一种小体积轻量化系统，对其进行提纯，取得了较好的效果。不外，履行中是否能坐褥出填塞数目和纯度的药物来怡悦航天员的需求，尚未可知，这也成为口头第二阶段将要点管制的问题。

异日，议论东谈主员将对航天员药物清单中的其他药物进行议论，进一步拓展该系统使用畛域，还将树立一个基于微流体的轻量化坐褥/净化系统样机，用于天外药物坐褥。

如果关系时期能够实用化，天外制药将取得过错冲突，有望因循历久载东谈主深空任务中的医疗需求。事实上，天外生物制药不仅在科学议论上具有专有上风，还蕴涵着巨大的经济价值，已成为全球天外科技发展的前沿限制。

好意思国宇航局的创新先进办法狡计旨在资助早期议论，培育航天创新办法，搜集有可能改变异日任务模式的冲突性管制决策，拓展东谈主类天外探索的广度与深度。自2011年于今，该狡计已资助了许多“听上去像科幻演义”的决策，并初步诠释了其可行性。因此，科幻不是天马行空、不着角落的空思，应是树立在当代科学表面基础上的合理畅思，很可能对科学发展产生深入影响，并予以科研东谈主员启示。跟着航天时期握住越过，降服“科幻走进履行”不会始终是牛年马月的，天外探索将呈现前所未有的新征象。

本文原载于《天外探索》杂志2024年第1期。

文/曲晶、马俊杰、董晓军

剪辑/杨斯爽

审核/穆檀

监制/姜军反差 调教