地面激光器可以加速航天器前往其他恒星

太空探索的未来包括一些相当雄心勃勃的计划，将任务发送到距离地球比以往更远的地方。除了目前在顺月空间建设基础设施和定期向月球和火星发送载人任务的提议之外，还计划向外太阳系、太阳引力透镜的焦距，甚至是向月球和火星发送机器人任务。探索系外行星最近的恒星。实现这些目标需要能够实现高推力和一致加速度的下一代推进系统。

聚焦激光阵列(或定向能(DE))和光帆是一种正在被广泛研究的手段，例如“突破摄星”和“蜂群比邻星”。除了这些提议之外，蒙特利尔麦吉尔大学的一个团队还提出了一种用于探索太阳系的新型定向能推进系统。在最近的一篇论文中，该团队分享了他们的激光热推进(LTP)推进器设施的早期结果，这表明该技术有潜力为星际任务提供高推力和比冲。

该研究小组由麦吉尔星际飞行实验研究组(IFERG)本科生研究实习生GabrielR.Dube和IFERG首席研究员AndrewHiggins副教授领导。代尔夫特理工大学(TUDelft)的研究生研究员EmmanuelDuplay也加入了他们的行列。SieraRiel，IFERG夏季研究助理;贾森·卢瓦索(JasonLoiseau)，加拿大皇家军事学院副教授。

该团队在2024年AIAA科学技术论坛和博览会上展示了他们的研究成果，并在AIAASCITECH2024论坛上发表了一篇论文。

希金斯和他的同事最初在2022年发表在《宇航学报》上的一篇论文中提出了这个概念，该论文题为“使用激光热推进的快速过境火星任务的设计”。

正如《今日宇宙》当时报道的那样，LTP的灵感来自于Starshot和ProjectDragonfly等星际概念。然而，希金斯和他来自麦吉尔的同事们感兴趣的是，同样的技术如何能够在短短45天内实现快速穿越太阳系的火星任务。他们认为，这种方法还可以验证所涉及的技术，并作为星际任务的垫脚石。

正如希金斯通过电子邮件告诉《今日宇宙》的那样，这个概念是在大流行期间他们无法进入实验室时想到的：

“我们的学生对如何使用突破摄星计划中的大型激光阵列进行了详细的概念研究，以在太阳系中执行更近期的任务。直径不是10公里，而是100公里。为“突破摄星”设想的GW激光器，我们将自己限制在直径10米、100兆瓦的激光器上，并证明它能够向接近月球的航天器提供动力。通过将氢推进剂加热到10,000秒K值，激光实现了高推力和高比冲的‘圣杯’。”

这个概念类似于核热推进(NTP)，美国宇航局和美国国防部高级研究计划局目前正在为火星快速运输任务开发核热推进。在NTP系统中，核反应堆产生的热量导致氢或氘推进剂膨胀，然后通过喷嘴聚焦以产生推力。

在这种情况下，相控阵激光器被聚焦到氢气加热室中，然后通过喷嘴排气，以实现3000秒的比冲。他说，自从希金斯和他的学生回到实验室以来，他们一直在尝试通过实验验证他们的想法：

“显然，我们麦吉尔大学没有100兆瓦的激光器，但我们现在在实验室中有一台3千瓦的激光器(这已经足够可怕了)，并且正在研究激光器如何将其能量耦合到推进剂(”

希金斯和他的团队根据测试构建了一个包含5至20巴静态氩气的装置。虽然最终的概念将利用氢气作为推进剂，但他们使用氩气进行测试，因为它更容易电离。然后，他们以1,070纳米(对应于近红外波长)的频率以脉冲形式发射3kW激光，以确定激光持续等离子体(LSP)所需的阈值功率。他们的结果表明，大约80%的激光能量沉积到等离子体中，这与之前的研究一致。

他们获得的压力和光谱数据还揭示了工作气体的峰值LSP温度，尽管他们强调需要进一步研究才能得出结论性结果。他们还强调，需要专用设备来进行强制流动和其他LSP测试。最后，该团队计划在今年晚些时候进行推力测量，以测量激光热推进系统可以为未来的火星和太阳系其他行星任务提供多少加速度(delta-v)和比冲量(Isp)。

如果技术能够胜任这项任务，我们可能会寻找一种能够在几周而不是几个月内将宇航员送上火星的系统。今年为NIAC选择的其他概念包括评估微重力下长期任务冬眠系统的测试。这些技术单独或组合起来，可以实现需要更少货物和补给的快速运输任务，并最大限度地减少宇航员暴露在微重力和辐射下的机会。