小型太阳帆可能是星际太空探索的下一个“巨大飞跃”

在第一颗卫星发射近70年后，我们对太空的问题仍然多于答案。但是，伯克利的一个研究小组正在通过一项提议来改变这种状况，即建造一支低成本的自主航天器舰队，每个航天器仅重10克，仅由太阳辐射的压力推动。这些小型化的太阳帆可能会访问数千颗近地小行星和彗星，捕捉高分辨率图像并收集样本。

在电气工程和计算机科学教授克里斯托弗·皮斯特（Kristofer Pister）的带领下，研究人员寻求利用微尺度技术的进步，使行星际太空探索更具成本效益和可及性，并加速关于我们内部太阳系的新发现。他们在发表在《宇航学报》杂志上的一项研究中描述了他们的工作，即伯克利低成本行星际太阳帆（BLISS）项目。

BLISS项目汇集了来自电气工程与计算机科学系和机械工程系以及伯克利传感器和执行器中心以及空间科学实验室的研究人员。他们的工作建立在其他小型航天器项目的基础上，包括立方体卫星、芯片卫星和突破性星际计划，同时寻求通过使用低质量消费电子产品来提高太阳帆的机动性并进一步降低制造成本。

除Pister外，该团队还包括主要作者和机械工程博士生Alexander Alvara以及合著者Lydia Lee，Emmanuel Sin，Nathan Lambert和Andrew Westphal。

在最近的一次谈话中，Pister 和 Alvara 与伯克利工程公司分享了他们团队对这个项目的愿景。

您的最新论文主要关注小型太阳帆船队。与其他类型的航天器相比，太阳帆有什么优势？

亚历山大： 太阳帆使用非消耗性推进力。它们是由阳光推动的，类似于帆船被风推动的方式。因此，与其他航天器不同，太阳帆可以在银河系中行驶，或者更具体地说，在我们的太阳系中行驶，而无需携带任何燃料或担心加油。

克里斯： 神奇的是，光，即使它没有质量，也有动量。当光线从镜子上反射时，由于动量的变化，你会受到一种力。在一平方米的帆上，这种力量是微小的。这大约是一粒沙子的重量，但你是免费得到的。只要你愿意，你就可以得到它，只要你坐在太空中，阳光照射着你。

您能告诉我们伯克利低成本行星际太阳帆（BLISS）项目吗？这个项目的起源是什么，它的目标是什么？

克里斯： 它始于几年前，当时我的朋友正在交换关于一个叫做Oumuamua的物体的电子邮件，这个物体正在我们的太阳系中移动。有人说，也许这是外星太阳帆，然后物理学家迪克·加文（Dick Garwin）寄来了一篇他在1959年写的关于太阳帆的论文。它说你可以利用这种光压向外移动，远离太阳，这是有道理的——光向那个方向推动。但你也可以用它来搬进去。这有点像在航行中逆风而行。光更像是风，你可以利用太阳辐射压力来对付。

所以这个灯泡在我的脑子里熄灭了。我们小组所做的所有工作都集中在小型化上，我认为我们可以将太阳帆航天器小型化。看到你可以对抗轻微的压力，我意识到我们可以用几乎所有现成的技术制造出10克的航天器。我们的最新研究提供了证据，证明这是可行的。

我们对BLISS项目的最初目标很简单：捕捉所有近地小行星的图像，从最大的小行星开始。大约有一千颗近地小行星的直径大于一公里。我们有图片，通常是模糊的图片，大概有10张。我们很兴奋，你可以拿着一个iPhone相机，绕着这些东西转一圈，从很近的距离拍摄一千张高分辨率的彩色照片，然后把这些信息传下来。

说到小型化的东西，为什么一开始就把太阳帆做小呢？

亚历山大： 较小的尺寸使航天器更加敏捷。我们不必担心帆的弯曲，只有一平方米。对于较大的太阳帆来说，这是一个巨大的问题。想象一下，将一个 50 平方米的太阳帆带入太空，然后像折纸一样展开展开组件。与其他航天器相比，它仍然相对较小，但展开的组件增加了重量。而且，正如Kris所提到的，你的帆上不断受到一粒沙子的力量，光的压力，所以你希望有一个接近这个质量的太阳帆。你不想要巨大的东西，否则需要很长时间才能移动，而且操作起来会变得不那么容易。

克里斯： 成本是小型化的另一个优势。我们建议从行星际航天器的 10 克左右开始。如果我们做对了一切，太阳帆的成本将是一千美元或更少。然后，我们可以将数千个这样的微型航天器放在一个小包装中，大小为一颗小卫星，然后将它们发射到太空中。

亚历山大： 因此，对于单次发射的成本，我们可以发出数千个这样的太阳帆并完成多项任务。

这些航天器需要功能强大，但重量轻。它们如何不被所有组件所压垮？

克里斯： 我们正在利用手机设计中的所有技术、所有小型化和低功耗。但是，MEMS（微机电系统）也设法实现了许多其他仪器的小型化。

BLISS航天器使用一种称为英寸蠖电机的MEMS器件。什么是尺蠖电机，为什么它很重要？

亚历山大： 你可以把尺蠖马达想象成一种需要电力并变成可移动力的东西。几乎就像一个活塞。我们使用尺蠖马达抓住比它自己大得多的东西，然后来回移动它。

克里斯： 我们的小宇宙飞船有一个直径大约1/2米的超轻镜子——也许是一张牌桌那么大——它通过几根碳纤维细丝连接到宇宙飞船的主体上。尺蠖沿着这些细丝一寸一寸地前进，拉扯细丝并相对于航天器的质心移动帆。事实证明，这就是您需要导航的东西——就像在帆船上一样。你拉动绳索，在风中改变帆的姿态，这会影响方向。

这些航天器将如何在内太阳系中航行？

亚历山大： 大部分分析是使用一种称为“迷失空间[识别]算法”的算法完成的。这个想法是，你绘制出你可以看到的星星，然后将它们与你可以从车载手机摄像头获得的图像像素进行比较。因此，我们基本上可以使用智能手机来帮助导航。

太空中存在许多危害，包括电离辐射和大漂浮颗粒。您如何设计微小的太阳帆来抵御这些潜在的危险？

亚历山大： 已经做了很多工作，分析了承受类似太空辐射的现成部件。为了减轻这种危害，我们可以建立冗余并添加多个最有可能发生故障的组件，或者将这些BLISS航天器配对到我们所谓的合作伙伴星座中，这基本上为我们增加了冗余。

您能告诉我们您为BLISS航天器提出的概念任务吗？完成这些任务需要多长时间？

亚历山大： 克里斯之前曾提到过，发射太阳帆去探索近地小行星。另一个主要概念任务是彗星样本检索，即从彗星羽流中获取微尘。迄今为止，只有一次真正成功的彗星物质返回，那就是2000年代初的星尘任务。它飞越了一颗名为Wild 2的彗星，收集了物质并将其带回地球。但不幸的是，航天器的机动性不如他们预期的，它高速捕获了彗星尘埃颗粒，蒸发了样品中任何富含有机物的成分。尽管他们取回的样本仍然非常重要，但我们目前在地球上只有大约300微克的彗星物质。通过将我们的微型太阳帆设计成敏捷且高度机动的太阳帆，我们希望以低相对速度捕获彗星样本，以避免损坏任何有机物。

克里斯： 至于任务持续时间，它们差异很大。我们需要几个月的时间才能离开地球的轨道，我们需要几个月或几年的时间才能到达我们感兴趣的小行星或彗星，然后反过来又回来了。所以，短期肯定是几个月，长期可能是十年左右。

我们离第一次发射还有多远？

亚历山大： 我们可以在几年内做到这一点。例如，CubeSat项目通常来自高中或社区学院或四年制院校，来自本科生。这些从零到大约两年内推出。因此，对于研究生、博士后或研究科学家来说，他们已经做了很多年这种事情，一旦我们完成开发，我们应该能够在相同的时间线内启动。

克里斯： 到目前为止，亚历山大研究了一些理论和一些电机。但是还有六个其他系统和各种软件仍然需要，所以这将是一项艰巨的任务。但我希望我们能获得资金进行进一步的研究。