簡介：利用核聚變產生的能量作為驅動力可大大提高星際旅行的速度。
在探索太空時，光速是一個很大的限制。光速是指光在真空中傳播的速度，精確地說是每秒186,282英里(29,972,458米每秒，或300,000公里每秒)。光速是不變的。據人類目前所知，沒有什麼能超過光速。以每秒300,000公里的速度運動可能看起來很快，但與巨大的宇宙空間相比，這和在糖漿中跋涉沒什麼區別。
為了對光的速度有更好的瞭解，下面一些有趣的知識會幫助我們理解光速有多麼快。月球距離地球大約238,855英里(384,400公里);光從地球來回一趟大約需要2.51秒。到達火星需要3分2秒，往返則是是6分4秒。一束光到達冥王星需要4.6個小時，返回又需要4.6個小時。最後，如果以光速穿行，要用4.24年才能到達離地球最近的半人馬座阿爾法星b，而這已經是最快的速度了。
太慢了！
不幸的是，技術還沒有發展到可以把裝有宇航員的宇宙飛船以光速推動來穿越太空。假如我們的科技允許我們這樣做，宇航員將以一種奇怪的方式體驗時間;對宇航員來說，他們體會的時間的流動速度似乎以與地球上不同。比如，在飛船上以99%的光速旅行5年的時間相當於地球上的大約50年。然而，愛因斯坦的狹義相對論告訴我們，在人類能夠實現光速旅行之前，還需要克服一些障礙。
一個物體一旦達到光速，它的質量就變成無限大。為了推動這個無限重的物體自然需要無限的能量。這條宇宙法則有效地限制了物體移動的速度。為了創造出一個可以以光速或更快速度執行的物體，我們需要改變物理定律才能實現。
科技前沿
世界上一些頂尖的天體物理學家一直在研究如何解決這個問題，他們提出了許多不同的理論引擎和推進劑，而這些引擎和推進劑可能驅動物體以光速運動。最有希望的一個裝置是利用核聚變能源來大幅減少旅行時間。參與該專案的物理學家估計，這種科技可以將到達泰坦——太陽系中最有趣的地方之一 (距離地球大約10億英里)——的旅行時間縮短至兩年！
這個概念性的技術叫做直接聚變驅動(Direct Fusion Drive, DFD)。這個技術依賴於一個類似太陽內部核聚變的反應所產生的能量來驅動物體。科學家們已經開始想辦法利用核反應的熱能和能量副產品來發電。據說，科學家們即將釋出首個商用聚變反應堆。
長期以來，核聚變動力一直是天體物理學家和致力於開發太空飛行技術的工程師們的研究熱點。聚變反應堆的本質是利用兩個較輕的原子結合成一個較重的原子核所釋放的能量，而這一過程在恆星中心不斷進行。這個科技好比將氫彈爆炸的巨大能量以某種形式儲存起來——而氫彈的動力則來自於將氫的同位素在極高的溫度下聚合在一起，形成氦，並利用這個過程中產生的巨大能量推動你穿越太空。這很令人激動對吧！
當然，這個世界不是由核聚變反應堆供電是有原因的。它們是一種理想的能源，因為理論上核聚變反應堆比核裂變反應堆更穩定，所以發生像切爾諾貝利和福島核災難那樣熔燬的風險更小。其次，核聚變反應堆也不產生核廢料或有毒的副產品。但是核聚變反應帶來的問題也十分棘手。為了使反應開始，我們需要將氫加熱到超過太陽核心6倍的溫度，也就是1億攝氏度。這十分的熱，所以建造反應堆的材料要在高溫等離子體(一種電離氣體組成的積極的離子和自由電子在非常高的溫度)的極高溫度和壓力的摧殘下保持堅挺數個月。這對建材提出了巨大挑戰。
直接聚變裝置
但是並非所有的希望都破滅了。物理學家們現在正在研究曾經被認為幾乎不可能實現的東西:直接聚變驅動(DFD)。事實上，普林斯頓等離子體物理實驗室的科學家們一直在研究一種可能將到達泰坦星（可以說是土星最有趣的衛星）的旅行時間縮短至短短兩年。這種裝置被稱為普林斯頓反轉場裝置-2反應堆(Princeton Field Reversed Configuration-2 Reactor)。研究人員希望它有一天能成為發射衛星和探測器到太空的主要裝置，並且揹負起載著人類穿越太空的重擔。
普林斯頓等離子體物理實驗室(Princeton plasma Physics Laboratory)的開發研究人員2019年表示:“DFD採用了一種獨特的等離子體加熱系統來實現1到10兆瓦範圍內的核聚變引擎。這種引擎對於人類太陽系探索、機器人太陽系任務，和星際任務來說是最適合的。”
2020年10月的新聞稿中寫道:“發動機本身利用了無中子聚變的許多優點，其中最顯著的是極高的功率重量比。”“DFD驅動的燃料質量可以略微變化，並含有氘和氦-3同位素。從本質上講，DFD採用了電力推進系統的優良比衝量，並將其與化學火箭的優良推力相結合，從而融合了兩種飛行系統的優點。”
反轉場裝置反應堆（FRC Reactor）採用線性螺線管、磁線圈陣列來限制等離子體，並可以在比其他設計所允許的更高等離子體壓力下工作，進而在給定磁場強度下提供比其他磁約束等離子體裝置更高的聚變功率密度。
一般來說，核聚變系統被認為是星際任務的最佳選擇，因為它們使用氫作為燃料，而氫恰好是宇宙中最豐富的元素，所以飛船不需要大量的氣體來補充燃料。這對探測器來說也很有用。不幸的是，以目前的技術，地球和土星之間的20億英里距離，探測器大約需要7年時間才能到達。著名卡西尼-惠更斯號探測器於1997年發射升空，在2004年抵達目的地——時速42500英里每小時(68397公里每小時)，其遇到的溫度在130攝氏度和-210攝氏度之間。新視野號的第一個任務是冥王星，而它花了近10年時間完成了這段旅途。
有趣的是，對天文學家來說，在發射探測器時考慮行星的排列是很重要的。例如，卡西尼-惠更斯號探測器是在金星相對接近地球的一段時間內發射的。它從地球到金星，再回到地球，再到木星，然後是土星。每經過一次行星，探測器都能從每顆行星獲得一點引力的幫助，這就增加了卡西尼號的速度。
為了繪製到土星最大衛星的最佳路線，義大利團隊與普林斯頓等離子體物理實驗室的DFD開發人員合作，並獲准訪問測試引擎的效能資料。然後，他們提取了一些關於行星排列的資料，並開始研究軌道力學。他們研究出了兩種不同的可能路徑，一種是隻在旅程的開始和結束時施加恆定的推力，另一種是推力在整個旅程中保持恆定。”
這兩種方案都需要轉換推力方向，以使飛船減速，進入土星系統。如果提供恆定的推力，這段旅程將不到兩年，而只在旅程開始和結束施加推力可以將比卡西尼號大得多的航天器的總旅程時間縮短至2.6年。這兩種路徑都不需要引力的幫助，而前往外行星的航天器經常受益於引力的幫助。”
如果這個裝置沒有成功，還有其他幾個裝置正在研發中，但這仍然是最有前景的想法之一。然而，由於下一個前往土衛六的理想視窗期在2046年，研究人員有大約30年的時間來完善DFD技術。
BY: Jaime Trosper
FY: LUMEN
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