美國和中國都計劃在未來十年向火星發射載人任務。雖然這代表了空間探索方面的巨大飛躍，但它也帶來了重大的後勤和技術挑戰。首先，每隔26個月，當我們的兩顆行星處於彼此軌道的最近點時（”對角”期間），才能向火星發射任務。使用目前的技術，從地球到火星需要六到九個月的時間。

即使使用核熱或核電推進（NTP/NEP），單程可能需要100天才能到達火星。然而，蒙特利爾麥吉爾大學的一個研究小組評估了激光-熱推進系統的潛力。根據他們的研究，一個依靠新型推進系統的航天器–激光被用來加熱氫氣燃料–可以將到達火星的過境時間減少到僅45天。

這項研究由Emmanuel Duplay領導，他是麥吉爾大學的畢業生，目前是代爾夫特理工大學航空航天工程碩士生。他與安德魯-希金斯副教授和麥吉爾大學機械工程系的多名研究人員一起工作。他們的研究題為”利用激光-熱力推進的快速過境火星任務的設計”，最近提交給了《天文學和天體》雜誌。

藝術家對運行中的定向能推進激光帆的印象。

近年來，定向能（DE）推進一直是相當大的研究和興趣的主題。這方面的例子包括星光計劃–也被稱為星際探索定向能推進（DEEP-IN）和定向能星際研究（DEIS）計劃，由菲利普-盧賓教授和加州大學洛杉磯分校實驗宇宙學小組（ECG）開發。作為2009年開始的美國宇航局資助的研究的一部分，這些計劃旨在為星際任務調整大規模定向能應用。

還有Breakthrough Starshot和Project Dragonfly，這兩個項目都是由星際研究計劃（i4iS）在2013年主持的設計研究中產生的。這些概念要求用一個千兆瓦功率的激光陣列將光帆和小型航天器加速到光速的一小部分（又稱相對論速度），以便在幾十年內到達附近的恆星系統，而不是幾個世紀或幾千年後。

但是，雖然這些概念都是以星際為重點，但Duplay和他的同事們探討了星際概念的可能性。正如Duplay通過電子郵件向《今日宇宙》解釋的那樣。

“定向能推進的最終應用是將光帆推進到星際，進行真正的星際旅行，這種可能性促使我們的團隊進行這項研究。我們對同樣的激光技術如何用於太陽系的快速運輸感興趣，希望這將是一個能夠證明該技術的較近的墊腳石。”

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除了激光帆板推進，DE正被探索用於其他幾個空間探索應用。這包括與航天器和永久陰影棲息地之間的動力傳輸（例如，阿特米斯計劃）、通信、小行星防禦和尋找可能的技術特徵。還有關於激光-電力航天器的概念正在被NASA評估，並作為UCSB ECG和MIT之間合作研究的一部分。

在這種應用中，激光被用來向航天器上的光伏陣列提供電力，這些電力被轉換為霍爾效應推進器（離子引擎）的動力。這個想法類似於核電推進（NEP）系統，其中激光陣列取代了核反應堆的位置。正如Duplay所解釋的，他們的概念是相關的，但又是不同的。

“我們的方法是對這些概念的補充，因為它使用相同的相控陣激光器概念，但將在航天器上使用更強烈的激光流量來直接加熱推進劑，類似於一個巨大的蒸汽壺。這可以讓航天器在仍然靠近地球時迅速加速，因此激光不需要聚焦到空間那麼遠。

“我們的航天器就像一輛拖拉機，在仍然靠近地球時迅速加速。我們相信，我們甚至可以使用相同的激光動力火箭發動機將助推器帶回地球軌道，在它將主運載工具拋向火星之後，使其能夠快速回收，用於下一次發射。”

一個藝術家對將促進火星任務的核火箭的概念。

在這方面，Duplay和他的同事提出的概念類似於核熱推進（NTP）系統，其中激光取代了核反應堆。除了DE和氫推進劑之外，激光-熱能航天器的任務架構還包括來自其他架構的若干技術。正如Duplay所指出的，它們包括。

“作為單一光學元件的光纖激光器射線，當激光束到達航天器進入加熱室時可用於聚焦的充氣式空間結構，以及開發高溫材料，使航天器在到達時能抵禦火星大氣層的衝擊。”

鑑於火星上沒有激光陣列，一旦航天器到達火星就會減速，這最後一個元素是至關重要的。”充氣反射器是其他定向能架構的一個關鍵：被設計成高度反射，它可以維持比光伏板更大的單位面積激光功率，與激光-電力推進相比，這個任務以適度的激光陣列尺寸是可行的，”Duplay補充說。

通過結合這些元素，激光-熱能火箭可以實現非常快速的火星過境，時間將短至六週–這在以前被認為只有核動力火箭發動機才可能做到。最直接的好處是，它為深空過境的危險提出了一個解決方案，如長期暴露在輻射和微重力下。

藝術家對火星軌道上的火星基地營的印象。當前往火星的任務開始時，最大的風險之一將是空間輻射所帶來的風險。

同時，Duplay說，這項任務帶來了一些障礙，因為所涉及的許多技術都是尖端的，還沒有經過測試。

“激光加熱室可能是最重大的挑戰。我們能否在激光束將氫氣（我們的推進劑）加熱到超過10000K的溫度時保持耐受，同時保持室壁的冷卻？目前的模型說這是可行的，但不可能進行全面的實驗測試，因為我們還沒有建造所需的100兆瓦激光器。”

雖然這個擬議的任務架構中的大部分技術以及其他類似的提議仍處於理論和開發階段，但它們的潛力是毋庸置疑的。將到達火星的時間減少到幾周而不是幾個月，將解決火星任務的兩個最大挑戰，主要是為了後勤和健康考慮。

此外，在地球和火星之間建立一個快速運輸系統，將加速地球和火星之間基礎設施的建立。這可能包括在火星軌道上建立一個類似Gateway的空間站，就像洛克希德-馬丁公司提議的火星大本營，以及一個激光陣列來減速進入的航天器。這些設施的存在也將加速在火星表面建立永久性人類存在的計劃。正如希金斯教授所總結的。

“埃曼紐爾領導的火星45天設計研究的動機是探索菲利普-盧賓小組正在開發的相控陣激光技術的其他近期應用。通過激光向太空深處輸送能量的能力將是一項顛覆性的推進和動力技術。我們的研究考察了激光熱能方法，這看起來令人鼓舞，但激光技術本身才是真正的遊戲規則改變者。”