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我们如今可以打造出怎样的星际引擎?

2021-11-08 08:48:25 点击:42 来自:创业路漫谈

北京时间11月8日消息,铀对人类而言是把双刃剑。一方面,它可能毁灭整个人类文明,将雄伟的城市和自然景观尽数化为带有放射性的灰烬和废墟;但另一方面,它却能帮助我们实现一番“丰功伟业”。在航空工程师罗伯特•祖布林设计的“核盐水火箭”中,铀作为燃料,可以使人类成为一种“星际物种”。这一概念有很大的潜力,同时完全处于现有的科学框架之内,无需依赖新的物理理论、或奇异的新型物质。如果核盐水火箭有朝一日真的成为现实,我们的飞行速度便可以达到光速的若干分之一。在人们提出的所有星际旅行方法中,核盐水火箭也许是最有可能实现、也最为极端的一种。

我们如今可以打造出怎样的星际引擎?

核盐水火箭以持续进行的核反应为基础。反应堆级别的铀以四溴化铀的形式、以2%的浓度溶解在水中,其中约20%至25%为铀-235,从而提供更多可发生核反应的裂变材料。这种铀盐便是“核盐水火箭”中“盐水”的部分。

总的来说,这种火箭的推进剂是一种铀盐水的混合物,可以在引擎中持续进行强劲的核反应。这种反应之所以能够发生,是因为当盐水处于一定浓度时,便会达到临界质量,由此产生能够自行持续下去的链式反应。反应产生的热量将水变成炽热的等离子体,为火箭提供推力。这种核火箭喷出的尾气温度可高达传统化学火箭的100倍,后者靠燃烧达到的温度约为3200℃。但利用效率更高、推力更强的引擎,温度可以远高于这一数字。

像这种效率极高、推力极大的引擎正是工程师梦寐以求的。因此一旦成功,核盐水火箭将成为有史以来最强大的火箭引擎,能量产出可高达700吉瓦。

利用反应堆级别的铀作为燃料,核盐水火箭只需短短数月便可抵达太阳系外层行星。而相比之下,利用现今的传统火箭,前往土星单程需耗费3至7年。核盐水火箭的排气速度约为每秒60000米,而传统火箭只有每秒4500米。然而,要想实现我们抵达遥远恒星的梦想,这个速度依然远远不够。核盐水火箭的速度要想达到光速的若干分之一,还需要把反应堆级别的铀替换成更强大的物质,比如武器级别的铀。这种铀中含有90%的铀-235,比用于探测太阳系的20%高得多。

我们如今可以打造出怎样的星际引擎?

假如一枚330吨的火箭携有3000吨盐水燃料,其中铀-235的含量为90%,那么排气速度可以达到每秒470万米,约为光速的3%。按照这一速度飞行,我们抵达半人马星座需要120年。

当然,这种火箭产生的热量也会成为它最大的缺陷。能经历如此高温和辐射的排气喷嘴一定要用极其坚固耐用的材料制成。那么,燃料罐是否也要用特殊的、能够吸收中子的材料制成呢,比如硼?如果没有硼来吸收多余的中子,燃料就会发生失控核反应。因此祖布林提议,用碳化硼制成长长的管道,让燃料通过这些管道泵入反应舱中、再发生链式反应。此外,为了让喷嘴和反应舱冷却下来,还需要用普通的水从这些部位表面流过,带走此处产生的热量。

但反应舱本身要用什么制成呢?什么样的材料才能承受住如此剧烈的能量反应?而祖布林指出,他设计的火箭中最关键的并不是材料,而是液体的流动。如果液体在反应舱中的流动速度保持在合适的水平,释放的能量便会大多集中在反应舱末尾,因此对材料本身不会造成太大压力。

与核盐水火箭相关的所有工程问题似乎都能用现有的科学知识解决。但由于目前尚未造出原型机,我们还无法确定祖布林提出的解决方案有多少能够成为现实。

另外,核火箭的本质决定了它在飞行过程中会不断散播放射性物质。因此在从地球刚进入太空时,该火箭不能使用核推进,否则会对周边区域造成污染。但一旦进入深空后,这就不是问题了,因为遥远的距离可以将放射性物质稀释到可以忽略的水平。即使刚从低地轨道上发射时,火箭排放物中原子的速度也足以脱离太阳的引力、飞出太阳系。即使有放射性物质落到地球上,数量也可以忽略不计。

核盐水火箭既没有违反1968年的《禁止核试验条约》,又不属于炸弹或武器。此前的各类核推进系统便是由于违反了这一条约而遭到驳回。

然而,这并不意味着核盐水火箭不危险、不冒进。光有这项技术还不够,核盐水火箭还需要借助类似激光加速系统等技术,才能离开地面、飞到距地球的安全距离之外。此外,由于大部分燃料都将用于加速过程,科学家还不确定该火箭即将抵达目的地时该如何减速。不过,这仍然是我们借助现有技术能创造出的最佳星际引擎,还可以用含有铀和钋的废弃核武器来制作。因此我们要回答的问题是,这些元素的最佳归宿究竟在哪里?是用在地球上、扩充我们的核军火库更好,还是带领我们飞向深空、寻找新的家园更好呢?

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