星際投射器要來(lái)了？電磁橇有望向地球彈射稀有資源！

科學(xué)設(shè)施很多，但有的設(shè)施，一“出生”就注定自帶腦洞屬性，比如電磁橇！

電磁橇，圖片來(lái)自央視新聞截圖。

2022年10月，世界首個(gè)電磁橇設(shè)施在中國(guó)山東成功運(yùn)行。作為中國(guó)科學(xué)院和山東省戰(zhàn)略合作的重大項(xiàng)目，電磁橇可將噸級(jí)以上的物體推進(jìn)到時(shí)速1030千米。

當(dāng)很多科幻愛(ài)好者第一眼看到電磁橇?xí)r，會(huì)不由想到經(jīng)常在科幻作品中出現(xiàn)的“質(zhì)量投射器”。

質(zhì)量投射器，也叫質(zhì)量加速器，是一種利用電磁加速的工具。

雖然在技術(shù)細(xì)節(jié)和名字上有差異，但在底層原理上，電磁橇、質(zhì)量投射器，以及航母上的電磁彈射，它們其實(shí)都是一樣一樣的。

質(zhì)量投射器從提出到現(xiàn)在，已經(jīng)過(guò)去一百多年了，其目前最廣為人知的應(yīng)用恐怕就是航母上的電磁彈射了。

是什么限制了質(zhì)量投射器的大規(guī)?？焖侔l(fā)展？

答案是地球自身。

怎么解決？換一個(gè)星球。

01 來(lái)自地球的限制

目前，電磁橇可將噸級(jí)以上的物體推進(jìn)到時(shí)速1030千米。那么，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，并大幅擴(kuò)大規(guī)模后，未來(lái)能否將速度推進(jìn)到時(shí)速2000千米，甚至3000千米？

理論上，這應(yīng)該是可以的。但難度巨大，成本也巨大。

把電磁撬換成質(zhì)量要小得多的電子，就是我們熟知的直線粒子加速器。例如美國(guó)斯坦福大學(xué)的SLAC直線粒子加速器，長(zhǎng)度3.2千米，可以把電子加速到光速的99.9999999%，能量達(dá)到50 GeV。

從空中鳥瞰SLAC直線粒子加速器，圖片來(lái)自Wikipedia。

將電磁橇的規(guī)模擴(kuò)大5倍，甚至擴(kuò)大10倍，這其實(shí)不是最大的困難。

最大的困難來(lái)自于地球大氣。

毫無(wú)疑問(wèn)，推進(jìn)速度越大，受到的大氣阻力越大，當(dāng)阻力大到一定程度，你再想進(jìn)一步提升推進(jìn)速度就會(huì)變得異常艱難，同時(shí)成本高到讓人望而卻步。

有網(wǎng)友可能會(huì)說(shuō)，可以在一段水平且抽成真空的隧道里面進(jìn)行電磁加速，那樣不就避免大氣阻力了嗎？

沒(méi)錯(cuò)，是可以這樣。先不考慮成本和難度，只說(shuō)一點(diǎn)，在這個(gè)真空隧道里，你將一個(gè)幾噸重的航天器推進(jìn)到3倍音速，甚至5倍音速，然后呢？你打算拿來(lái)做撞擊試驗(yàn)嗎？

別忘了，質(zhì)量投射器的初衷就是用來(lái)輔助航天器進(jìn)行低成本發(fā)射的。

有網(wǎng)友可能又會(huì)說(shuō)，那么將隧道變成極為堅(jiān)固的大管子，并把它垂直起來(lái)，直插云霄，那樣的話不就可以彈射航天器上天了嗎？

嗯，這個(gè)問(wèn)題嘛，等你設(shè)計(jì)出一個(gè)垂直高度達(dá)十幾公里，且能穩(wěn)固不倒的大管子再說(shuō)。

你想到的，NASA已提前想到了。圖片作者：NASA。

既然地球不行，那就換個(gè)星球。

02 月球基地

預(yù)測(cè)一件事情何時(shí)發(fā)生，難度無(wú)限，多數(shù)時(shí)候人力不可為。

但預(yù)測(cè)一件事情會(huì)不會(huì)發(fā)生，則難度要小得多得多。

我們要做的，就是后者。

毫無(wú)疑問(wèn)，月球基地必然會(huì)被人類建立起來(lái)，不在這個(gè)世紀(jì)，就在下一個(gè)世紀(jì)，或者下下一個(gè)世紀(jì)。總之就是必然會(huì)建立起來(lái)，這是人類的一個(gè)執(zhí)念。

設(shè)想中的月球基地，圖片作者：NASA，Kitmacher。

既然月球基地早晚會(huì)建立，那么諸位不妨提前腦洞一下：

如果未來(lái)，中國(guó)的月球基地建立了，那么如何在月球上進(jìn)行超低成本的航天器發(fā)射呢？

傳統(tǒng)火箭發(fā)射需要燃料，在月球上也如此。而在月球上，燃料的來(lái)源只可能有兩種。

一種是從地球上帶過(guò)去，這種方式成本極高。阿波羅登月就是采取這種方式。

阿波羅11號(hào)登月艙，圖片來(lái)自NASA。

從地球運(yùn)送燃料到月球，偶爾幾次還行，但若想以這種模式維系月球基地，則這種模式幾乎會(huì)讓所有想建立月球基地的國(guó)家打退堂鼓。

另一種模式，就是在月球上分解礦物，再合成燃料。這種模式，以目前的技術(shù)水平，難度以及可行性統(tǒng)統(tǒng)未知。即使未來(lái)可行，成本可能比從地球上帶上去還高。

還有就是，若能在月球上合成物質(zhì)，那么其實(shí)，最應(yīng)該合成的不是燃料，而是生命之源——水。

因此，在月球上頻繁進(jìn)行航天器發(fā)射，最好是能充分利用到月球上的優(yōu)勢(shì)資源。問(wèn)題來(lái)了，月球上有何優(yōu)勢(shì)資源？

答案是太陽(yáng)能。

月球上白天長(zhǎng)達(dá)14個(gè)地球日，陽(yáng)光直射的地方，溫度最高可達(dá)150攝氏度。 如此豐富的太陽(yáng)能，無(wú)論是用光伏發(fā)電，還是光熱發(fā)電都沒(méi)有太大問(wèn)題。

這樣一來(lái)，同等面積下，比地球豐富許多倍的太陽(yáng)能資源必然會(huì)給月球帶來(lái)幾乎用之不竭的電力供應(yīng)。而電磁橇只使用電，因此，使用電磁橇在月球上彈射航天器，可以說(shuō)是順理成章的事。

03 電磁橇在月球上的優(yōu)勢(shì)

第一大優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然是月球上的真空環(huán)境。阿波羅飛船登月時(shí)，測(cè)得的月球真空最低可達(dá)10的負(fù)10次方帕，這意味著，月球上已經(jīng)跨入極高真空這個(gè)級(jí)別了——對(duì)比常見(jiàn)的高能粒子加速器，其加速通道內(nèi)部的真空度也在極高真空的級(jí)別。

對(duì)生命來(lái)說(shuō)，真空是麻煩；而對(duì)電磁橇來(lái)說(shuō)，真空卻是樂(lè)土。

沒(méi)有了大氣阻力后，想把航天器推進(jìn)到何種速度，主要只取決于兩個(gè)因素：

一個(gè)是電磁橇的規(guī)模，一個(gè)是電力供給。

電磁橇規(guī)模越大，占地越多，但好消息是，目前月球上的土地不要錢。

質(zhì)量投射器，圖片作者：NASA。

而電力供給呢，前文說(shuō)了，完全不用擔(dān)心。足夠的太陽(yáng)能資源可提供足夠的電力。

最重要的是，這些電力還能使用飛輪儲(chǔ)存起來(lái)。而飛輪儲(chǔ)能裝置最喜歡的環(huán)境恰好也是真空，真空度越好，飛輪儲(chǔ)能時(shí)間就越長(zhǎng)。

第二大優(yōu)勢(shì)，就是月球上的低重力環(huán)境。

月球質(zhì)量為0.0123個(gè)地球質(zhì)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，而如果速度達(dá)到每秒1.32千米，就能成為繞月球轉(zhuǎn)的衛(wèi)星。

每秒1.32千米，這種速度真的高不可攀嗎？其實(shí)并非如此。

地球上的某些動(dòng)能穿甲彈，它們的槍口初速高達(dá)每秒1.74 千米。也就是說(shuō)，如果這種穿甲彈可以在真空環(huán)境下發(fā)射的話，在月球上打一發(fā)炮彈就可以成為月球的衛(wèi)星。

單位換算，圖片來(lái)自網(wǎng)頁(yè)計(jì)算后的截圖。

月球的低重力帶來(lái)了更低的逃逸速度和繞月速度，只要電磁橇將航天器推進(jìn)到3.88馬赫就能成為月球衛(wèi)星，而推進(jìn)到7馬赫就能逃離月球。

到這里，有網(wǎng)友可能會(huì)說(shuō)了，為了一個(gè)月球基地，建設(shè)這么一個(gè)大規(guī)模的電磁橇彈射器合適嗎？

合適呀。因?yàn)檫@可能將是整個(gè)月球上唯一的航天發(fā)射基地，建成后，其他國(guó)家的所有登月項(xiàng)目都可以付費(fèi)使用。

最后，基地建立后，在月球上開(kāi)采那些地球上極為稀少卻異常珍貴的礦物時(shí)，同樣也可以使用電磁橇直接將封裝好的稀有資源彈射到地球沙漠里，或者無(wú)邊草原上。

總之，在地球上，電磁橇未來(lái)會(huì)有怎樣的運(yùn)用，似乎難以預(yù)測(cè)。

但在月球上，我們反正是提前想好了。

作者：寒木釣萌 科普作家、科技部“全國(guó)優(yōu)秀科普作品獎(jiǎng)”獲得者

審核：羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所 研究員

出品：科普中國(guó)

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司