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第一期:化学推进的宇宙边界 第一期:化学推进的宇宙边界 大家好,这里是思想实验室,我是实验员零一。此刻屏幕里显示着4.24光年外的比邻星:橙红色的恒星周围,可能藏着另一个“地球”。今天的思想实验是,依靠化学推进剂,人类最远能到哪儿? 先说最关键的指标——比冲。液氢液氧是目前化学燃料里的“顶流”,比冲能到450秒。啥概念?每公斤燃料烧完,能持续给飞船450公斤的推力。但问题也在这儿:要推动飞船,燃料占的比重实在太大。 举个例子,假设造艘1万吨的飞船,按现在化学火箭的老办法设计,90%的重量都得是燃料——也就是说,1万吨的船里,9千吨是液氢液氧,剩下1千吨才轮到探测器、维生系统(要是载人的话)和船体结构。跟把十层楼的材料全塞进燃料箱,就留个阳台装设备似的,想想都憋屈。 那要是冲着4.24光年外的比邻星呢?往返一趟,理论上得用霍曼转移轨道(最省燃料的椭圆路线),再加上木星、土星的重力弹弓加速,速度得达到光速的12%。可把这些数代入火箭方程一算,结果直接把我看懵了——要达到这个速度,飞船的初始质量(包括所有燃料)得是最终质量(只剩船体和载荷)的10的347次方倍。 啥概念?是可观测宇宙的总质量的10的294次方倍——怕是把全宇宙的东西都烧了当燃料,都不够飞船用。 那降低要求,不往返了,单程飞10万年到比邻星,速度降到光速的0.4%,燃料占比还得99.999%。飞船薄得跟气球似的,稍微碰一下就得炸。就算用休眠技术让宇航员“冻”起来省点电,减速时需要的燃料一分都省不了——毕竟要到地方停住,总得有反向推力。 所以结论特现实:化学推进的绝对边界,撑死了就是0.5光年(大概到太阳系最外的“冰晶云”,奥尔特云内缘)。而且这还只能送无人的探测器——让它飞过去拍几张照片,再花几十年把信号传回来。 要是载人?连太阳系都出不去。就说火星吧,现在往返都得算着燃料烧;要是去木星,可能到了就得“撂挑子”——燃料刚好用完,回不来了。更扎心的是,化学推进技术早没突破空间了——从当年阿波罗登月的土星五号,到现在SpaceX的猎鹰火箭,原理都是“烧燃料喷气”,跟几百年前瓦特改良蒸汽机差不多的思路,能挖的潜力早挖干净了。 最后问个扎心的问题:要是必须靠化学火箭星际航行,你选在飞船里繁衍3万代,去看比邻星?还是把DNA装进金属胶囊,让它漂在宇宙里,赌一把未知星球上的“重生”? 这儿是思想实验室,下期见!#科普 #七夕dou+精彩放大
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66662周前
你去看看,宇宙边缘处有没有一道墙? 如果现在告诉你,宇宙并非无限大,或许被一堵时空分界层的“墙”包围着,墙外是另一个平行世界,其边界或与平行世界相邻,你会信吗?今天就送你去看看宇宙的这个“边界”。虽然这一理论尚未被科学观测证实,但今天我们基于现有理论与数学模型等合理假设,送你一场宇宙的边界之旅。 这一切要从科学家发现了一个宽达10亿光年的神秘巨洞开始。据科学家推测,它可能是宇宙碰撞的伤疤。我们的宇宙就像一套俄罗斯套娃,拆开银河系这个大盒子,里头装着太阳系小盲盒,再拆开才能找到这颗小彩蛋,便是地球。每一个“套娃”都有着自己的边界,而我们将要穿越这些边界。 想要跨越如此大的距离,你需要利用曲速推进模型。虽然目前仍属数学假说,但你用它来突破常规速度限制,把你送上飞船,启动、挂挡、给油! • 首先突破距离海平面100公里的高度,恭喜你已经跨越了地球和太空的官方分界线「卡门线」,它将地球的大气层与外太空分隔开来,你的朋友圈定位可以改成「地球轨道区用户」了! • 接着开启超空间引擎,飞向太阳系的边缘,飞越火星、木星、土星、天王星和海王星,你已经行进了100个天文单位的距离。1个天文单位是地球到太阳的距离,在这里太阳系的边界一日鞘层出现了。此处太阳风的速度急剧下降,首先从每小时62万英里骤降到音速,然后是一个被称为日鞘暂停层的区域,风几乎完全消失。随后你的飞船感受到了来自星际风的冲击波,这是星际风与太阳系边界碰撞所产生的力量。当你穿过这个边界后,你便进入了黑暗的星际空间。 • 2012年NASA的旅行者1号在这里发了条「已出太阳系」动态,6年后2号也来打卡,还发现个冷知识:这个结界南半球比北半球缩水了10个天文单位,相当于15亿公里。 • 我们正接近太阳系最外层的“冰墙”奥尔特云,这是一个由数万亿冰质天体组成的球状云团,距离太阳约0.8-3.2光年(5-20万个天文单位),这些冰冻天体被认为是长周期彗星的来源,但由于分布极其稀疏,平均间距相当于上海到纽约的距离,探测器完全可以安全穿越。 • 现在你孤独一人,身处银河系外围,这个直径约10万光年的旋涡星系,以现有化学燃料火箭的速度穿越需要超过1万亿年。现在你将油门踹到底,熟练地在星际赛道上穿梭飞行,几分钟后你便抵达了我们银河系的边缘。这里不再有星际风,你所能见到的只是远处的点点光亮,这些光亮是巨大的星系。 • 你需
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