乘坐“电火箭”，飞向外太空

　　对现今的地球文明而言，燃料问题再也限制不了星际旅行，因为星际空间中遍地都是燃料。

　99%的宇宙被等离子体占领

　　天空翻滚着阴沉的灰黑色云层，在云层内部，带电的水滴和冰晶繁忙地调整着队列，带有负电荷的水滴排列在云的底部，云层顶端则挤满了携带正电荷的水滴。突然，暴风雨前最后的宁静被一道闪电打破，炫目的白光一闪，大雨来临了。这是我们熟悉的场景，但是闪电划破夜空的产物我们就对其有些陌生了——闪电加热空气中的气体分子，将它们变成了等离子体。

　　等离子体是物质的第四种基本状态，与之相比，我们更熟悉的是物质的三种状态:固态、液态和气态。但这种第四态也十分容易理解，如果将气态的水蒸气封闭在容器中加热到1000℃、2000℃乃至更高，水分子就无法抓住它的原子，开始分裂成氧原子和氢原子;在10000℃～12000℃时，水蒸气变成了等离子体——氧原子和氢原子中的电子挣脱了原子核的束缚，带正电的质子和带负电的电子在空间中自由运动，因为它们电荷相等，相互抵消，我们就将这团“气体”称为等离子体。

　　闪电将空气分子变成等离子体也是同样的原理：闪电出现的一瞬间，10000安培的电流被释放出来，以超音速在地表和云层之间传播，并将周围的空气加热到25000℃。高温将空气中的氮原子和氧原子周围的电子剥离下来，将它们转变为等离子体。

　　在宇宙中，等离子体随处可见，因为恒星、星云等物体的中心温度比人类所能制造的温度要高得多。从地球上，我们可以看到太阳外层大气中温度超过100万度的等离子体，即日冕。日冕中的等离子体会周期性喷射，这些强力的等离子“炸弹”有时会穿透地球的磁场屏蔽，大量带电粒子轰炸地球上空的各种电子设备，使其瘫痪，能够影响整个地球的电力和通信。可见，等离子体包含着强大的力量，物理学家正在想办法“驯服”这些力量，将其作为未来的燃料。

　空气等离子体“点燃”发动机

　　2018年，一架看起来十分简陋的飞机在天空中飞翔：它就像一架儿童制造的玩具飞机，“侧翼”“尾翼”“机头”“机身”都是由木头制作的，机身下有四排细线，像水平栅栏一样沿着机翼前端的下方排列。除此之外，你在这架飞机上看不到任何现代飞机的影子，没有发动机，没有排气口，没有螺旋桨，但奇怪的是，它竟然稳稳地在空中飞了起来，而且速度还不低!

　　这架飞机可不是什么儿童制造的玩具，而是美国麻省理工学院的航空工程师史蒂文·巴雷特和他的同事一手打造的新型飞机。这架飞机翼展长5米、重2.45千克，它不靠太阳能电池板、化学燃料引擎或空气螺旋桨产生飞行动力，而是靠机身下的四排细线驱动，能以4.8米/秒的速度飞行55米。

　　飞机前方设有以轻型电线组成的平行电极，可产生高达2万伏特的正电压，用来给飞机周边的空气加压，以及从空气分子中剥离带负电荷的离子。在飞机后方也有多排电线，它们负责提供2万伏特的负电压。在这种情况下，离子会自动由正电极向负电极移动，离子与其他空气分子发生数百万次的碰撞从而产生“离子风”为飞机提供升力。

　　美国麻省理工学院的模型飞机以每千瓦6牛(1牛相当于你拿着苹果时手上感受到的压力) 的驱动力向前飞行。中国武汉大学的科学家们最近又向前迈出了一步，他们开发了一种每千瓦产生28牛的发动机。发动机通过电力将空气转化成温度超过1000℃的等离子体，压缩空气被引导穿过等离子体，等离子体随后膨胀并喷发，将物体向反方向推动。在一次实验中，这款发动机能够举起放置在管道顶部的1千克金属球。科学家们对这项技术信心满满，他们预测，不久的将来，只“燃烧”空气的等离子体喷气发动机可能会强大到足以与现代喷气发动机相媲美。

宇宙飞船新燃料——等离子体

　　在太空中，等离子体的效率更高，因为发动机不需要像在地球上那样克服空气阻力和重力。经推算，安装上等离子体火箭，太空飞船的速度可达约19.8万千米/小时。传统火箭需要用250天送宇航员到达火星，而等离子体火箭最快可以让宇航员在39天内到达火星，不仅可以节省大量的燃料、食物、水和氧气，宇航员也能避免长时间旅行带来的疲累。

　　目前，已经有飞行器通过离子发动机产生的等离子体飞行。当美国宇航局的“黎明”号卫星进入围绕灶神星的大行星和谷神星的矮行星的轨道时，它的发动机正在使用强大的电场将气体转化为等离子体，之后等离子体中的正离子通过一个电子发射装置向后发送，推动卫星前进。

　　可是，要将等离子体发动机用于长期太空任务，还有一个致命的缺点需要克服：等离子体会腐蚀电极，缩短发动机的寿命。为了减少腐蚀，发动机只能使用惰性气体，如氙气和氩气来制造等离子体。可是，在太空中，氙气和氩气十分稀少，含量更多的是具有腐蚀性的氢气。

　　为了能使用氢气作为原料，科学家想出了一个好主意：将等离子体电浆捕捉在磁笼中，让它不会接触到引擎室的壁面，减少腐蚀。这样，飞船就可以在许多星球补充燃料，比如月球或火星。到那时，等离子体发动机就可以在人类殖民太阳系的过程中发挥关键作用。

　　在等离子体发动机中增加磁场还有一个好处，那就是增强推力。离子第一次被喷出时，磁场将离子约束在一个范围内，这些离子在电磁场的作用下再次加速，撞击后续刚刚电离出来的离子，两批离子再被电场加速射出。这样，一批离子流能对飞行器产生两波推力，推力大增。

　　当前最具潜力的等离子体发动机是美国宇航局设计的可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)。在发动机室内，气体首先被电场加热到几千度，然后被转化成等离子体。随后，磁场将带电等离子体导入另一个腔室，无线电波将等离子体加热到100万度，使其急剧膨胀。最后，磁场将通过喷嘴将等离子体喷向太空——速度为5万米/秒。在200千瓦的功率下，目前的VASIMR只能产生5牛的力，这不足以将火箭提升到大气层中，但这足以让一艘飞船从环绕地球的轨道上深入太空。这项技术可能特别适用于“太空卡车”——一种设计用来运送货物往返月球的飞船。

　　未来，VASIMR很可能用于长时间的太空任务，在太阳系内部，太阳能电池板可以产生足够的电能，而在太阳系外的飞行旅程中，一个小型的核反应堆可以继续为其提供电能。

　　终有一天，更高性能的“电火箭”将带着人类飞往更深更远的太空，更加快捷且深入地探索那些不为人知的奥秘。