星际投射器要来了?电磁橇有望向地球弹射稀有资源!

来源:科普中国 发布时间:2024年01月19日

科学设施很多,但有的设施,一“出生”就注定自带脑洞属性,比如电磁橇!

图片2.png

电磁橇,图片来自央视新闻截图。

2022年10月,世界首个电磁橇设施在中国山东成功运行。作为中国科学院和山东省战略合作的重大项目,电磁橇可将吨级以上的物体推进到时速1030千米。

当很多科幻爱好者第一眼看到电磁橇时,会不由想到经常在科幻作品中出现的“质量投射器”。

质量投射器,也叫质量加速器,是一种利用电磁加速的工具。

虽然在技术细节和名字上有差异,但在底层原理上,电磁橇、质量投射器,以及航母上的电磁弹射,它们其实都是一样一样的。

质量投射器从提出到现在,已经过去一百多年了,其目前最广为人知的应用恐怕就是航母上的电磁弹射了。

是什么限制了质量投射器的大规模快速发展?

答案是地球自身。

怎么解决?换一个星球。

01 来自地球的限制

目前,电磁橇可将吨级以上的物体推进到时速1030千米。那么,通过技术改进,并大幅扩大规模后,未来能否将速度推进到时速2000千米,甚至3000千米?

理论上,这应该是可以的。但难度巨大,成本也巨大。

把电磁撬换成质量要小得多的电子,就是我们熟知的直线粒子加速器。例如美国斯坦福大学的SLAC直线粒子加速器,长度3.2千米,可以把电子加速到光速的99.9999999%,能量达到50 GeV。

图片3.png

从空中鸟瞰SLAC直线粒子加速器,图片来自Wikipedia。

将电磁橇的规模扩大5倍,甚至扩大10倍,这其实不是最大的困难。

最大的困难来自于地球大气。

毫无疑问,推进速度越大,受到的大气阻力越大,当阻力大到一定程度,你再想进一步提升推进速度就会变得异常艰难,同时成本高到让人望而却步。

有网友可能会说,可以在一段水平且抽成真空的隧道里面进行电磁加速,那样不就避免大气阻力了吗?

没错,是可以这样。先不考虑成本和难度,只说一点,在这个真空隧道里,你将一个几吨重的航天器推进到3倍音速,甚至5倍音速,然后呢?你打算拿来做撞击试验吗?

别忘了,质量投射器的初衷就是用来辅助航天器进行低成本发射的。

有网友可能又会说,那么将隧道变成极为坚固的大管子,并把它垂直起来,直插云霄,那样的话不就可以弹射航天器上天了吗?

嗯,这个问题嘛,等你设计出一个垂直高度达十几公里,且能稳固不倒的大管子再说。

图片1.png

你想到的,NASA已提前想到了。图片作者:NASA。

既然地球不行,那就换个星球。

02 月球基地

预测一件事情何时发生,难度无限,多数时候人力不可为。

但预测一件事情会不会发生,则难度要小得多得多。

我们要做的,就是后者。

毫无疑问,月球基地必然会被人类建立起来,不在这个世纪,就在下一个世纪,或者下下一个世纪。总之就是必然会建立起来,这是人类的一个执念。

图片4.png

设想中的月球基地,图片作者:NASA,Kitmacher。

既然月球基地早晚会建立,那么诸位不妨提前脑洞一下:

如果未来,中国的月球基地建立了,那么如何在月球上进行超低成本的航天器发射呢?

传统火箭发射需要燃料,在月球上也如此。而在月球上,燃料的来源只可能有两种。

一种是从地球上带过去,这种方式成本极高。阿波罗登月就是采取这种方式。

图片5.png

阿波罗11号登月舱,图片来自NASA。

从地球运送燃料到月球,偶尔几次还行,但若想以这种模式维系月球基地,则这种模式几乎会让所有想建立月球基地的国家打退堂鼓。

另一种模式,就是在月球上分解矿物,再合成燃料。这种模式,以目前的技术水平,难度以及可行性统统未知。即使未来可行,成本可能比从地球上带上去还高。

还有就是,若能在月球上合成物质,那么其实,最应该合成的不是燃料,而是生命之源——水。

因此,在月球上频繁进行航天器发射,最好是能充分利用到月球上的优势资源。问题来了,月球上有何优势资源?

答案是太阳能。

月球上白天长达14个地球日,阳光直射的地方,温度最高可达150摄氏度。 如此丰富的太阳能,无论是用光伏发电,还是光热发电都没有太大问题。

这样一来,同等面积下,比地球丰富许多倍的太阳能资源必然会给月球带来几乎用之不竭的电力供应。而电磁橇只使用电,因此,使用电磁橇在月球上弹射航天器,可以说是顺理成章的事。

03 电磁橇在月球上的优势

第一大优势,当然是月球上的真空环境。阿波罗飞船登月时,测得的月球真空最低可达10的负10次方帕,这意味着,月球上已经跨入极高真空这个级别了——对比常见的高能粒子加速器,其加速通道内部的真空度也在极高真空的级别。

对生命来说,真空是麻烦;而对电磁橇来说,真空却是乐土。

没有了大气阻力后,想把航天器推进到何种速度,主要只取决于两个因素:

一个是电磁橇的规模,一个是电力供给。

电磁橇规模越大,占地越多,但好消息是,目前月球上的土地不要钱。

图片6.png

质量投射器,图片作者:NASA。

而电力供给呢,前文说了,完全不用担心。足够的太阳能资源可提供足够的电力。

最重要的是,这些电力还能使用飞轮储存起来。而飞轮储能装置最喜欢的环境恰好也是真空,真空度越好,飞轮储能时间就越长。

第二大优势,就是月球上的低重力环境。

月球质量为0.0123个地球质量,引力也只有地球的六分之一,故月球上的逃逸速度只有每秒2.38千米,而如果速度达到每秒1.32千米,就能成为绕月球转的卫星。

每秒1.32千米,这种速度真的高不可攀吗?其实并非如此。

地球上的某些动能穿甲弹,它们的枪口初速高达每秒1.74 千米。也就是说,如果这种穿甲弹可以在真空环境下发射的话,在月球上打一发炮弹就可以成为月球的卫星。

图片7.png

单位换算,图片来自网页计算后的截图。

月球的低重力带来了更低的逃逸速度和绕月速度,只要电磁橇将航天器推进到3.88马赫就能成为月球卫星,而推进到7马赫就能逃离月球。

到这里,有网友可能会说了,为了一个月球基地,建设这么一个大规模的电磁橇弹射器合适吗?

合适呀。因为这可能将是整个月球上唯一的航天发射基地,建成后,其他国家的所有登月项目都可以付费使用。

最后,基地建立后,在月球上开采那些地球上极为稀少却异常珍贵的矿物时,同样也可以使用电磁橇直接将封装好的稀有资源弹射到地球沙漠里,或者无边草原上。

总之,在地球上,电磁橇未来会有怎样的运用,似乎难以预测。

但在月球上,我们反正是提前想好了。

作者:寒木钓萌 科普作家、科技部“全国优秀科普作品奖”获得者

审核:罗会仟 中国科学院物理研究所 研究员

出品:科普中国

监制:中国科学技术出版社有限公司、中科数创(北京)数字传媒有限公司