對現(xiàn)今的地球文明而言，燃料問題再也限制不了星際旅行，因為星際空間中遍地都是燃料。

　99%的宇宙被等離子體占領(lǐng)

　　天空翻滾著陰沉的灰黑色云層，在云層內(nèi)部，帶電的水滴和冰晶繁忙地調(diào)整著隊列，帶有負電荷的水滴排列在云的底部，云層頂端則擠滿了攜帶正電荷的水滴。突然，暴風(fēng)雨前最后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(chǎn)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(zhì)的第四種基本狀態(tài)，與之相比，我們更熟悉的是物質(zhì)的三種狀態(tài):固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。但這種第四態(tài)也十分容易理解，如果將氣態(tài)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(zhì)子和帶負電的電子在空間中自由運動，因為它們電荷相等，相互抵消，我們就將這團“氣體”稱為等離子體。

　　閃電將空氣分子變成等離子體也是同樣的原理：閃電出現(xiàn)的一瞬間，10000安培的電流被釋放出來，以超音速在地表和云層之間傳播，并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(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體。

　　在宇宙中，等離子體隨處可見，因為恒星、星云等物體的中心溫度比人類所能制造的溫度要高得多。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周期性噴射，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(shè)備，使其癱瘓，能夠影響整個地球的電力和通信。可見，等離子體包含著強大的力量，物理學(xué)家正在想辦法“馴服”這些力量，將其作為未來的燃料。

　空氣等離子體“點燃”發(fā)動機

　　2018年，一架看起來十分簡陋的飛機在天空中飛翔：它就像一架兒童制造的玩具飛機，“側(cè)翼”“尾翼”“機頭”“機身”都是由木頭制作的，機身下有四排細線，像水平柵欄一樣沿著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(xiàn)代飛機的影子，沒有發(fā)動機，沒有排氣口，沒有螺旋槳，但奇怪的是，它竟然穩(wěn)穩(wěn)地在空中飛了起來，而且速度還不低!

　　這架飛機可不是什么兒童制造的玩具，而是美國麻省理工學(xué)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(xué)燃料引擎或空氣螺旋槳產(chǎn)生飛行動力，而是靠機身下的四排細線驅(qū)動，能以4.8米/秒的速度飛行55米。

　　飛機前方設(shè)有以輕型電線組成的平行電極，可產(chǎn)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。在飛機后方也有多排電線，它們負責(zé)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(fā)生數(shù)百萬次的碰撞從而產(chǎn)生“離子風(fēng)”為飛機提供升力。

　　美國麻省理工學(xué)院的模型飛機以每千瓦6牛(1牛相當(dāng)于你拿著蘋果時手上感受到的壓力) 的驅(qū)動力向前飛行。中國武漢大學(xué)的科學(xué)家們最近又向前邁出了一步，他們開發(fā)了一種每千瓦產(chǎn)生28牛的發(fā)動機。發(fā)動機通過電力將空氣轉(zhuǎn)化成溫度超過1000℃的等離子體，壓縮空氣被引導(dǎo)穿過等離子體，等離子體隨后膨脹并噴發(fā)，將物體向反方向推動。在一次實驗中，這款發(fā)動機能夠舉起放置在管道頂部的1千克金屬球。科學(xué)家們對這項技術(shù)信心滿滿，他們預(yù)測，不久的將來，只“燃燒”空氣的等離子體噴氣發(fā)動機可能會強大到足以與現(xiàn)代噴氣發(fā)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，因為發(fā)動機不需要像在地球上那樣克服空氣阻力和重力。經(jīng)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(tǒng)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(nèi)到達火星，不僅可以節(jié)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(jīng)有飛行器通過離子發(fā)動機產(chǎn)生的等離子體飛行。當(dāng)美國宇航局的“黎明”號衛(wèi)星進入圍繞灶神星的大行星和谷神星的矮行星的軌道時，它的發(fā)動機正在使用強大的電場將氣體轉(zhuǎn)化為等離子體，之后等離子體中的正離子通過一個電子發(fā)射裝置向后發(fā)送，推動衛(wèi)星前進。

　　可是，要將等離子體發(fā)動機用于長期太空任務(wù)，還有一個致命的缺點需要克服：等離子體會腐蝕電極，縮短發(fā)動機的壽命。為了減少腐蝕，發(fā)動機只能使用惰性氣體，如氙氣和氬氣來制造等離子體。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。

　　為了能使用氫氣作為原料，科學(xué)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(fā)動機就可以在人類殖民太陽系的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

　　在等離子體發(fā)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范圍內(nèi)，這些離子在電磁場的作用下再次加速，撞擊后續(xù)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(chǎn)生兩波推力，推力大增。

　　當(dāng)前最具潛力的等離子體發(fā)動機是美國宇航局設(shè)計的可變比沖磁等離子體火箭(VASIMR)。在發(fā)動機室內(nèi)，氣體首先被電場加熱到幾千度，然后被轉(zhuǎn)化成等離子體。隨后，磁場將帶電等離子體導(dǎo)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。最后，磁場將通過噴嘴將等離子體噴向太空——速度為5萬米/秒。在200千瓦的功率下，目前的VASIMR只能產(chǎn)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(huán)繞地球的軌道上深入太空。這項技術(shù)可能特別適用于“太空卡車”——一種設(shè)計用來運送貨物往返月球的飛船。

　　未來，VASIMR很可能用于長時間的太空任務(wù)，在太陽系內(nèi)部，太陽能電池板可以產(chǎn)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(yīng)堆可以繼續(xù)為其提供電能。

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