一、馭光飛行
對於科幻迷來說，電影《阿凡達》是不可磨滅的記憶。在電影中，人類已經具備了宇宙大航海的能力，ISV“冒險星”號宇宙飛船更是顛覆了我們的想象。“冒險星”號的動力來自於太陽帆、反物質發動機和核聚變發動機。
按照官方設定，在從地球飛往阿爾法星系的這一典型星際飛行任務中，“冒險星”號會首先利用光帆，藉助地球照射的鐳射，進行為期近6個月的加速飛行，直至達到最高航行速度——0.7倍光速，並保持亞光速飛行5年多的時間；在抵達阿爾法星系前，該飛船會利用反物質發動機進行為期近6個月的減速飛行；最後，該飛船會利用核聚變發動機進入潘多拉星的德爾塔-v軌道。
圖1：ISV“冒險星”號宇宙飛船全貌。下方是潘多拉星，後方是波呂斐莫斯氣態巨行星
圖源：電影《阿凡達》
科學往往源於天馬行空的想象，電影中的場景或將成為現實。科學家們認為，“太陽帆”飛船可能是人類星際旅行的希望之一，因為以太陽光作為動力，不僅可以減少宇宙飛船攜帶的燃料重量，提高其機動性，使其在太空停留更長的時間，而且只要有陽光存在的地方，它就會不斷獲得動力加速飛行。
二、什麼是太陽帆?
大家經常可以在海面上看到帆船，對於帆船航行的原理，大家一定不陌生。那就是利用海風吹拂在船帆上生成的氣壓，獲得帆船前進的動力。透過控制風帆的旋轉角度，帆船甚至可以逆風而行。
太陽帆所運用的原理也與帆船航行的原理類似。太陽也有風，即從太陽外層大氣不斷髮射出來的穩定離子流，但太陽帆利用的並不是太陽風，而是推動力比太陽風還要大1000多倍的太陽光。
圖2：太陽帆藝術效果圖
圖源：Breakthrough Starshot
由於太陽光壓產生的推力很小，所以基於太陽帆的航天器不能從地面起飛。太空中執行的航天器處於失重狀態，再加上沒有空氣阻力，所以輕微的太陽光壓就可以讓它加速，使得太陽帆不需要攜帶燃料就可以推動航天器不斷加速。
來自太陽的光線提供了無窮無盡的推動力，理論上能夠使裝有大型太陽帆的航天器最終達到24萬公里/小時的速度。太陽帆甚至可以成為目前唯一可能乘載人類到達太陽系外星系的航天器概念。
太陽帆主要是由反射薄膜、支撐結構、太陽帆展開元件等組成。為了減輕飛行器的重量，增大受光面積，需要採用超薄和大面積的太陽帆面。其材料還必須具有優異的空間穩定性，耐高低溫效能，優良的綜合力學強度，以及易於成形和大面積製備等特點。此外，為了滿足太陽極圖拍攝等任務，太陽帆材料還需要能夠對太陽帆本身的姿態和航行進行調控。
圖3（Gif）：太陽帆效果演示
圖源：The Planetary Society
鑑於此，來自美國加州大學洛杉磯分校的Artur R. Davoyan、美國國家航空航天局的Les Johnson（科幻小說作家、NASA太陽帆首席研究員）等人以“Photonic materials for interstellar solar sailing”為題在Optica上發表綜述文章。
該文章描述了面向下一代太陽帆光學材料和光子設計相關的要求和挑戰。概述了技術發展路線圖，以指導研究人員開創太空未來。
三、星際推進技術
目前太空推進主要手段為化學推進和電力推進技術。化學反應推進火箭是載人和星際任務的支柱，而電動發動機，如等離子體和電噴霧推進器，則用於空間站保持和有效的軌道機動。他們的本質都是透過排出飛船上的燃料從而產生推動力。
而燃料排出的量和速度會直接影響飛船的速度和能夠到達的位置。其本身較為粗笨，而且無法滿足一些航行任務的需要。因此，尋找更高效和更先進的推進方法成為目前的一個研究熱點。
太陽帆無需攜帶推進劑，利用太陽輻射壓力與重力相平衡，能夠到達傳統推進方式無法到達的位置，包含暈輪軌道和高傾角軌道。圖4所示為太陽帆的受力示意圖。太陽帆的速度依賴於其光學特性（例如材料對太陽的吸收率和反射率），帆面積與航天器總質量比（A/m）以及近日點（d0)。A/m和d0越小，飛船的速度越快。以下討論關於太陽帆的討論適用於接近太陽時的情況。
圖4：太陽帆受力圖，FG為引力，將太陽帆拉向太陽，FP為太陽輻射壓力，將太陽帆推離太陽
圖源：Optica / 圖譯：撰稿人 秉正
四、材料和結構設計面臨的挑戰
當距離太陽0.1 AU（約為20個太陽半徑）時，太陽帆所承受的太陽輻射是在地球上的100倍。這雖然保證了較高的巡航速度，但是一不小心就會導致材料的熱損壞。而輻射冷卻作為唯一的溫度調節機制，用來平衡入射和其他輻射產生的熱量。平衡如圖5所示。
圖5：太陽帆能量平衡示意圖
圖源：Optica
因此在材料的設計和選擇過程中，低吸收率，高反射率變得尤重要。布拉格鏡子，超表面，光子晶體等方式相對於傳統的太陽帆材料可以獲得更薄，更輕的反射體。
五. 對帆的主動調控
除了重量輕和高反射率的需求之外，控制陽光散射的方向和強度也尤為重要，其可以用來調控太陽帆的姿態。目前是採用笨重且複雜的機械系統調控輻射壓力和相關的動力。
可調控光的相位和強度的材料目前是一研究熱點。液晶和光柵等可以改變入射光的方向，從而改變光的傳播方向，繼而改變光的動量。帆為了互補從而獲得了動量。因此，對反射或折射的任意控制可以實現有效的動量傳遞和對帆的任意控制，不僅允許向前推進，還可以提高和降低帆的軌道。
如圖6所示，薄膜控制區域性反射強度，獲得所需的輻射壓力分佈從而控制推力和扭矩。
圖6：控制反射強度從而獲得推力和轉矩示意圖
圖源：Optica / 圖譯：撰稿人 秉正
六、太空航行的環境影響
在距離太陽0.1 AU，或者大約20倍太陽直徑的位置 ，其周圍環境與地球情況大為不同。雖然未到達日冕的位置，太陽風會與太陽帆相互作用。在這個距離，太陽帆面對的太空環境會導致其老化等問題。
如圖7所示，H和He離子（時速可達100-1000 Km/s），X和γ射線等會導致太陽帆產生氣泡，表面濺射，開裂，剝落和分層等情況。而等離子體與奈米光子結構特別是薄膜異質結構的相互作用及其對結構穩定性和光學效能的影響尚不清楚。對其進一步的研究是很迫切的。
圖7：太陽等離子體和高能粒子對太陽帆的影響
圖源：Optica / 圖譯：撰稿人 秉正
七、下一代太陽帆
太陽帆為人類更近距離接近太陽提供了可能。但是作為星際航行的太陽帆仍舊需要克服眾多科研難題，才能實現更加先進的馭光飛行。
圖8的靈感來源於相鄰星際地圖，其中列舉了為了完成星際航行所需研究的領域，距離圓心越遠，代表需要做出的努力越多。
圖8：星際太陽帆材料路線圖
圖源：Optica / 圖譯：撰稿人 秉正
例如，調控反射和透射的超材料可以有效地控制太陽帆的姿態以及航行。高溫光子材料則使近距離飛近太陽，探測太陽大氣和以前所未有的速度推進星際空間變為可能。因此為了進一步推進太陽帆的極限，在材料科學和奈米光子學領域仍舊需要投入大量的精力。
相信在不遠的將來，隨著相關材料科學和奈米技術的進步，下一代太陽帆可以承擔起重要太空探索任務的重任，實現人類在宇宙大航海的夢想。
論文資訊：
Artur R. Davoyan, Jeremy N. Munday, Nelson Tabiryan, Grover A. Swartzlander, and Les Johnson, "Photonic materials for interstellar solar sailing," Optica 8, 722-734 (2021)
論文地址：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.417007
