宇宙，我们来了！用石墨烯打造太阳帆，可在20年内抵达比邻星
人类何时能突破太阳系的束缚，一直是大家非常关心的问题。目前，人类发射最远的航天器是旅行者1号，已经距离我们超过200亿公里。但是，即便如此，它想飞到距离我们最近的比邻星，依然需要超过7万年的时间。
（图片说明：齐奥尔科夫斯基火箭方程图像）
可以确定，如果人类还是坚持使用现有的飞行模式，想要突破太阳系是非常困难的。好在，科学家们已经找到了一种新的飞行模式，可以获得极高的速度，实现星际旅行。
太阳帆
太阳帆，也叫光帆，最早在400年前由著名天文学家开普勒提出。他根据彗星的形状进行思考，提出了太阳光可以提供一种“压力”，才迫使彗星形成了长长的彗尾。他指出，如果我们利用这种能量，就可以实现星际飞行。
1748年，欧拉正式提出了光压的存在，最终在1901年由俄国物理学家列别捷夫首次测量出来。由于当时科学家们已经对电磁学有了相当深入的了解，所以可以推算出光压的大小。1924年，齐奥尔科夫斯基及其同事灿德尔联合提出了太阳帆的概念，描述人类未来可以利用太阳光压实现星际飞行的设想。
光压的原理很简单，就是利用光子打在物体上产生的推动力。你可能觉得这种事太夸张，因为你每天晒太阳都不会感觉到被光子击中。这是因为你的面积比较小，而且质量比较大等许多因素，才不那么明显。但是，只要面积足够大，质量又足够轻，就可以利用光压实现飞行。
太阳帆的优势
首先，由于太阳帆的动力源来自太阳，所以本身不需要携带燃料。根据牛顿第二定律可以知道，这对于飞行器的加速是非常有利的。
同时，太阳提供的光压也能带来很可观的推力。科学家计算显示：如果太阳帆的面积达到70000平方米，那么光压就会产生0.034吨的推力。虽然这个推力也不是非常大，但它可以持续提供动力，所以始终处于加速状态。如果携带它的探测器有500公斤，那么它将在200天内就可以抵达火星，基本上就和现在的速度一致了。如果面积达到3平方公里，那么推力将会达到1.5吨，飞出太阳系都没什么问题。
你或许会对这个面积感觉吃惊，好像科学家在扯淡。不过，这件事其实没什么不可能的。首先太空是高真空环境，面积做得再大也没有空气阻力；其次，随着人类科技的发展，这样规模的飞行器早晚会变得稀松平常，没什么可吃惊的。当然，由于火箭的空间有限，太阳帆也不可能以几万甚至几百万平方米的面积装进去。因此，如果想要发射太阳帆，就必须先将它折叠起来，等到升空后再展开。
在展开之后，太阳帆将会以最宽广的面积在最大程度上接收太阳的光压，实现持续不断的加速。当然，距离太阳太远的话，接收到太阳的辐射也会比较少，科学家也会考虑在太阳系的中部放置动力激光器提供进一步的加速。如果太阳帆足够大，可以在5年之内从地球飞到冥王星，甚至可以在20年内飞抵比邻星。
因此，太阳帆是目前最有希望帮助人类实现突破，冲出太阳系的下一代太空动力装置，世界各国也纷纷加入研发太阳帆的行列，希望能够帮助人类实现航天史上的巨大飞跃。
行星协会的太阳帆
（图片说明：美国行星协会打造的光帆二号及其拍摄的地球照片，下同）
美国行星协会，是由著名天文学家、科普作家卡尔·萨根创建、由一群热爱空间探索的人们所组成的世界上最大的非营利性空间研究团队。他们长期致力于以多种形式促进人类太空探索技术的进步，在太阳帆方面也不甘落后，早在2015年就进行了第一次太阳帆的测试。
2019年6月，他们的光帆2号发射升空，并于7月23日将聚酯帆布成功展开。这一张太阳帆的边长大约有5米，但是厚度还不足人类头发丝的直径。7月31日，他们利用光帆2号接受的光压所转化的动力，成功将其轨道提升了1.25英里（约2公里）。虽然改变不大，但证明了太阳帆的可行性。
研发人员为它配备了鱼眼镜头，可以随时监视其状况，并且空闲的时候以独特的视角拍摄出美轮美奂的地球照片，而这些图片里本来直的太阳帆显示出曲线来也是鱼眼镜头的效果。
当然，行星协会绝不是唯一一个研发太阳帆的团队。实际上，目前来说发展比较快的，应该是日本的“伊卡洛斯号（Ikaros）”太阳帆。2010年5月21日，耗资3500万英镑的伊卡洛斯号发射升空。它的材质是聚酰亚胺树脂，其尺寸比光帆2号还要惊人，直径约为14米，但是厚度仅有7.5微米，相当于头发丝直径的10/1左右。
另外，我国也在进行着太阳帆的相关研究。前不久，我们刚刚分享沈阳自动化研究所的“天帆一号”成功展开的新闻。其材质也是聚酰亚胺材质，但是面积不足1平方米。由此也可以看出，虽然我国也在尽力追赶，但和日本的差距还是比较大的。
轻一点，再轻一点！
大家可能已经发现，上面说的三张太阳帆，材质都是聚酰亚胺或者聚酯等聚合物。
聚酰亚胺的性能非常优秀，在-200~300摄氏度范围内都可以良好工作，并且有很高的耐辐照性能，而且机械性能极佳，是目前可以广泛使用而且综合性能最佳的有机高分子材料之一。同时，它还具备一个优势，那就是轻。
根据牛顿第二定律可以知道，在同样大小的力作用下，质量越轻的物体获得的加速度越大，就越容易加速。尤其当我们希望航天器达到接近光速的情况下，还要考虑到相对论效应下速度导致质量增大的可能性。因此，哪怕将太阳帆的质量削减那么一点点，我们所能获得的收益都是非常大的，这也是科研人员们把太阳帆做得这么薄的原因。
（图片说明：聚酰亚胺）
不过，虽然聚酰亚胺已经非常轻了，科研人员们还是不满意。有一种新的材质，很有可能将要取代它的地位。
最新材质·太阳帆利器
石墨烯，在我们的文章中已经多次提到过。石墨烯的微观结构是碳原子以六边形的形状相互连接的构造，这给它提供了惊人的性能。就在聚酰亚胺还在考虑能把太阳帆的厚度压缩到几微米的时候，科学家的研究报告已经指出：石墨烯制作的太阳帆甚至可以只有原子那么厚！
（图片说明：石墨烯微观结构示意图）
当然，如果有相应的技术，所有的材料都可以压缩到原子级别，但是它们的强度就会因此无法得到保障。但是石墨烯完全没有这种顾虑，它的微观结构让它在原子尺度上依然可以非常牢固。因此，它可以让太阳帆变得更薄，从而更大程度上降低太阳帆的质量。
不过，目前的人类的技术，还不足以将石墨烯压到这么薄，因此世界各国的科学家也在尽力做这方面的研究。
最近，国外的一支团队打造了一张直径仅有3毫米，质量不到四分之一克的微型光帆。然后，他们将这张光帆放到微重力环境下，分别用0.1瓦到1瓦不等的激光器照亮它，以测试其性能。
（图片说明：SCALE纳米技术公司打造的最新石墨烯微型光帆）
结果显示，这张光帆的性能很不错，达到了预期的效果。不过，限于科技水平，目前也很难有更大的突破。虽然人类已经制作出了较大的石墨烯板，但想造出直径超过1公里的石墨烯太阳帆还是不可能的。好在，既然这条路行得通，只要我们坚持走下去，石墨烯太阳帆就一定能实现。
同时，我国科学家也正在抓紧研发石墨烯太阳帆，力争追赶领头羊。相信不远的未来，人类非常有希望突破太阳系，追上并赶超旅行者号探测器，去看一看太阳系以外的世界。
宇宙，我们要来了！