乘坐“電火箭”，飛向外太空

對現今的地球文明而言，燃料問題再也限制不了星際旅行，因爲星際空間中遍地都是燃料。

99%的宇宙被等離子體佔領

天空翻滾着陰沉的灰黑色雲層，在雲層內部，帶電的水滴和冰晶繁忙地調整着隊列，帶有負電荷的水滴排列在雲的底部，雲層頂端則擠滿了攜帶正電荷的水滴。突然，暴風雨前最後的寧靜被一道閃電打破，炫目的白光一閃，大雨來臨了。這是我們熟悉的場景，但是閃電劃破夜空的產物我們就對其有些陌生了——閃電加熱空氣中的氣體分子，將它們變成了等離子體。

等離子體是物質的第四種基本狀態，與之相比，我們更熟悉的是物質的三種狀態:固態、液態和氣態。但這種第四態也十分容易理解，如果將氣態的水蒸氣封閉在容器中加熱到1000℃、2000℃乃至更高，水分子就無法抓住它的原子，開始分裂成氧原子和氫原子;在10000℃～12000℃時，水蒸氣變成了等離子體——氧原子和氫原子中的電子掙脫了原子核的束縛，帶正電的質子和帶負電的電子在空間中自由運動，因爲它們電荷相等，相互抵消，我們就將這團“氣體”稱爲等離子體。

閃電將空氣分子變成等離子體也是同樣的原理：閃電出現的一瞬間，10000安培的電流被釋放出來，以超音速在地表和雲層之間傳播，並將周圍的空氣加熱到25000℃。高溫將空氣中的氮原子和氧原子周圍的電子剝離下來，將它們轉變爲等離子體。

在宇宙中，等離子體隨處可見，因爲恆星、星雲等物體的中心溫度比人類所能製造的溫度要高得多。從地球上，我們可以看到太陽外層大氣中溫度超過100萬度的等離子體，即日冕。日冕中的等離子體會週期性噴射，這些強力的等離子“炸彈”有時會穿透地球的磁場屏蔽，大量帶電粒子轟炸地球上空的各種電子設備，使其癱瘓，能夠影響整個地球的電力和通信。可見，等離子體包含着強大的力量，物理學家正在想辦法“馴服”這些力量，將其作爲未來的燃料。

空氣等離子體“點燃”發動機

2018年，一架看起來十分簡陋的飛機在天空中飛翔：它就像一架兒童製造的玩具飛機，“側翼”“尾翼”“機頭”“機身”都是由木頭製作的，機身下有四排細線，像水平柵欄一樣沿着機翼前端的下方排列。除此之外，你在這架飛機上看不到任何現代飛機的影子，沒有發動機，沒有排氣口，沒有螺旋槳，但奇怪的是，它竟然穩穩地在空中飛了起來，而且速度還不低!

這架飛機可不是什麼兒童製造的玩具，而是美國麻省理工學院的航空工程師史蒂文·巴雷特和他的同事一手打造的新型飛機。這架飛機翼展長5米、重2.45千克，它不靠太陽能電池板、化學燃料引擎或空氣螺旋槳產生飛行動力，而是靠機身下的四排細線驅動，能以4.8米/秒的速度飛行55米。

飛機前方設有以輕型電線組成的平行電極，可產生高達2萬伏特的正電壓，用來給飛機周邊的空氣加壓，以及從空氣分子中剝離帶負電荷的離子。在飛機後方也有多排電線，它們負責提供2萬伏特的負電壓。在這種情況下，離子會自動由正電極向負電極移動，離子與其他空氣分子發生數百萬次的碰撞從而產生“離子風”爲飛機提供升力。

美國麻省理工學院的模型飛機以每千瓦6牛(1牛相當於你拿着蘋果時手上感受到的壓力) 的驅動力向前飛行。中國武漢大學的科學家們最近又向前邁出了一步，他們開發了一種每千瓦產生28牛的發動機。發動機通過電力將空氣轉化成溫度超過1000℃的等離子體，壓縮空氣被引導穿過等離子體，等離子體隨後膨脹並噴發，將物體向反方向推動。在一次實驗中，這款發動機能夠舉起放置在管道頂部的1千克金屬球。科學家們對這項技術信心滿滿，他們預測，不久的將來，只“燃燒”空氣的等離子體噴氣發動機可能會強大到足以與現代噴氣發動機相媲美。

宇宙飛船新燃料——等離子體

在太空中，等離子體的效率更高，因爲發動機不需要像在地球上那樣克服空氣阻力和重力。經推算，安裝上等離子體火箭，太空飛船的速度可達約19.8萬千米/小時。傳統火箭需要用250天送宇航員到達火星，而等離子體火箭最快可以讓宇航員在39天內到達火星，不僅可以節省大量的燃料、食物、水和氧氣，宇航員也能避免長時間旅行帶來的疲累。

目前，已經有飛行器通過離子發動機產生的等離子體飛行。當美國宇航局的“黎明”號衛星進入圍繞竈神星的大行星和穀神星的矮行星的軌道時，它的發動機正在使用強大的電場將氣體轉化爲等離子體，之後等離子體中的正離子通過一個電子發射裝置向後發送，推動衛星前進。

可是，要將等離子體發動機用於長期太空任務，還有一個致命的缺點需要克服：等離子體會腐蝕電極，縮短髮動機的壽命。爲了減少腐蝕，發動機只能使用惰性氣體，如氙氣和氬氣來製造等離子體。可是，在太空中，氙氣和氬氣十分稀少，含量更多的是具有腐蝕性的氫氣。

爲了能使用氫氣作爲原料，科學家想出了一個好主意：將等離子體電漿捕捉在磁籠中，讓它不會接觸到引擎室的壁面，減少腐蝕。這樣，飛船就可以在許多星球補充燃料，比如月球或火星。到那時，等離子體發動機就可以在人類殖民太陽系的過程中發揮關鍵作用。

在等離子體發動機中增加磁場還有一個好處，那就是增強推力。離子第一次被噴出時，磁場將離子約束在一個範圍內，這些離子在電磁場的作用下再次加速，撞擊後續剛剛電離出來的離子，兩批離子再被電場加速射出。這樣，一批離子流能對飛行器產生兩波推力，推力大增。

當前最具潛力的等離子體發動機是美國宇航局設計的可變比衝磁等離子體火箭(VASIMR)。在發動機室內，氣體首先被電場加熱到幾千度，然後被轉化成等離子體。隨後，磁場將帶電等離子體導入另一個腔室，無線電波將等離子體加熱到100萬度，使其急劇膨脹。最後，磁場將通過噴嘴將等離子體噴向太空——速度爲5萬米/秒。在200千瓦的功率下，目前的VASIMR只能產生5牛的力，這不足以將火箭提升到大氣層中，但這足以讓一艘飛船從環繞地球的軌道上深入太空。這項技術可能特別適用於“太空卡車”——一種設計用來運送貨物往返月球的飛船。

未來，VASIMR很可能用於長時間的太空任務，在太陽系內部，太陽能電池板可以產生足夠的電能，而在太陽系外的飛行旅程中，一個小型的核反應堆可以繼續爲其提供電能。

終有一天，更高性能的“電火箭”將帶着人類飛往更深更遠的太空，更加快捷且深入地探索那些不爲人知的奧秘。