商业航天工业(又名。新太空)和登月计划，人们普遍认为我们正生活在“太空时代2.0”。更雄心勃勃的计划是在未来10年向火星发射载人飞船，这将使宇航员首次在地球-月球系统之外飞行。这一挑战激发了许多关于宇宙飞船、生命维持系统和推进的创新想法。
特别是，任务规划者和工程师们正在研究定向能(DE)推进，用激光阵列将光帆加速到相对速度(光速的一小部分)。在最近的一项研究中，加州大学洛杉矶分校(UCLA)的一个团队解释了如何利用一组带有轻型帆的微型探测器来探索太阳系。这些探测器将依赖于低功率激光阵列，因此比类似概念更经济，但将比传统火箭快得多。
这项研究是由加州大学洛杉矶分校(UCLA)航空航天工程专业的研究生董浩廷(Ho-Ting Tung)和助理教授阿图尔·r·达沃扬(Artur R. Davoyan)进行的，两人都是达沃扬研究小组(DRG)的成员，达沃扬教授是该小组的创始人。本小组致力于研究定向能和光材料相互作用，以发展“空间光子学”。描述他们研究结果的论文最近发表在由美国化学学会(ACS)监管的《纳米快报》杂志上。
几十年来，科学家们一直在研究光帆作为一种可能的太空探索手段。与传统的航天器相比，这些航天器有许多优点，其中最重要的是它们不需要推进剂。在大多数设计中，推进剂构成了航天器质量的很大一部分，这就需要大的储罐，从而产生额外的质量，等等。当涉及到星际空间旅行时，它成了一个可怕的负担。
使用传统的推进系统，即使是距离我们4.25光年的最近的恒星系统——比邻星——也需要几千年的时间。出于这个原因，多个组织正在探索光帆任务的概念，将其作为星际旅行的一种手段。这包括“突破摄星计划”、“蜻蜓计划”和“天秤座计划”，这些计划包括使用功率高达1亿瓦的大型阵列来推动宇宙飞船达到相对论速度并实现星际旅行。
但正如达沃扬教授通过电子邮件告诉《今日宇宙》(Universe Today)的那样，这些方法也适用于探索太阳系:
为了他们的研究，何婷和达沃扬考虑了不同大小和激光功率的各种航天器的外形。其中包括一个从100千瓦(kW)到1兆瓦(MW)的阵列，与星际概念相比，这是低功率的。与“摄星”和“蜻蜓”探测器一样，他们计算出克级探测器的质量在10到100克之间。在此基础上，他们设想出一种直径约45厘米(18英寸)的晶圆探针，一边是集成电子器件，另一边是纳米级结构。
除了定向能，这个概念还结合了达沃扬研究小组的另一个专业领域。这是一个被称为纳米光子学的领域，研究几纳米大小的材料如何与光相互作用的科学，应用范围从宽带通信和光伏到航天器推进。最后，他们发现100千瓦的硅或氮化硼阵列和帆可以实现成本效益和快速的星际任务。Davoyan说:
“然而，我们讨论的探针成本低，不受开发时间或启动窗口的限制，这使得它们更加灵活。总的来说，非常低的成本和利用大规模制造的能力允许一种新的太空探索方式，在这种方式下，每个人都可以很容易地进入深空任务。我们相信这将对空间科学产生革命性的影响。”
执行低成本、快速部署任务的能力呈现出许多优势。“新视野号”保持着从地球发射的最快物体的记录，其逃逸轨道约为16.26公里/秒(58500公里/小时;36400英里/小时)。然而，探测器花了九年半的时间到达冥王星，并捕捉到迄今为止最详细的冥王星表面图像。旅行者1号和2号任务也是如此，它们于1977年从地球发射，分别于2004年和2007年到达太阳系边缘。
虽然所有这些任务的科学回报都是不可估量的，但一个低成本的选择，能够在很短的时间内到达目的地，将会在更经常的基础上产生这些类型的回报。在未来的几年里，计划中的木卫二、土卫六、海卫一和柯伊伯带的任务将不会缺少机会。除了使这样的任务更快、更便宜之外，光帆探测器还可以以同样的成本进行更多的任务。Davoyan总结:
目前，人们正在考虑将光帆计划与“Oumuamua”会合，探索太阳系，并在几十年而不是几百年的时间内向半人马座阿尔法星(Alpha Centauri)发起星际任务。这种概念的变化，如定向能热推进，甚至正在考虑在几周内将宇航员送上火星，而不是几个月。由于没有化学推进剂的重压，这些任务的开发成本仅为火箭的一小部分。
随着时间的推移，整个太阳系的激光阵列的创建可能会导致跨越太阳系的交通基础设施。谁知道呢?结合依靠各种核动力推进的下一代宇宙飞船，这一设想可能导致人类在居住方面成为“星际”，但在探索方面则是星际。
进一步阅读:ACS, Nano Letters
