3月初，NASA的「黎明號」探測器將進入矮行星穀神星的軌道。 「我們將看到一個全新的世界，」黎明號首席工程師兼任務主管馬克雷曼說。自發射以來已過八年，在造訪小行星帶第二大天體灶神星四年後，黎明號將成為首個在單次任務中環繞兩顆系外原行星運行的探測器。
這項成就得益於其直徑約一英尺的離子引擎。在每個引擎內部，氙原子受到電子轟擊形成離子。引擎尾部的金屬柵格充電至約1000伏，並將離子以高達每小時9萬英里的速度射出。這種推力微乎其微。 （要估算引擎對「黎明號」探測器施加的壓力，只需拿一張紙放在手掌上即可。就是這樣！）但在零重力、無摩擦的環境下，這種推力會逐漸增強。 「黎明號」的最高速度可達每小時約24000英里。由於離子以如此高的速度移動，引擎所需的推進劑更少，使其效率比傳統化學燃料高出10倍。
「離子推進技術正在席捲整個行業，」開發了「黎明號」探測器引擎的約翰·布羅菲說。
如果你覺得這一切像是電影裡的場景，那很可能是因為你確實看過。在《星際大戰》中，達斯維德的TIE戰鬥機是一輛動力強勁的戰車，它利用離子引擎在銀河帝國中穿梭。就像達斯維德的座駕一樣，「黎明號」也利用太陽能為其耗能巨大的引擎提供電子。兩塊太陽能板各有27英尺長，相當於單打網球場的寬度。與需要儲存在太空船內的化學燃料不同，這些太陽能板提供了幾乎取之不盡的能源。
雷曼表示，離子推進技術以前所未有的高效資源利用率，使得遠距離、長時間的任務成為可能，而這些任務如果採用其他推進方式，將會超出NASA的預算，甚至「根本無法完成」。如今，太空船可以前往多個目標，因為離子推進技術能夠持續提供推力，使太空船更容易、更穩定地進入不同目標的軌道，而無需耗盡所有燃料。
“它正在席捲整個行業。”
「這就像越野，」美國太空總署行星科學部主任吉姆·格林說。 「所有行星都有固定的軌道，或者說道路。有了離子發動機，你就不必沿著這些道路走。你可以直接起飛，走捷徑，到達大約五個天文單位以內的各種地點，一直到木星。”
離子推進技術進一步拓展了人類太空探索的可能性。在未來的任務中，它可用於向火星或其他遙遠地點的太空人運送補給。
然而，離子推進器僅適用於某些類型的太空任務。對於將人類送往其他星球而言，它的速度太慢。 「黎明號」探測器需要四天時間才能從零加速到每小時60英里。雷曼表示，離子推進器是為耐心細緻的任務而設計的，對於前往火星或金星等目的地的直接任務來說，它過於昂貴和複雜。
在太空中使用電力推進系統是歷經一個多世紀的發展歷程。美國火箭先驅羅伯特·戈達德早在1906年就提出了電力推進的概念。大約十年後，他進行了相關實驗，但直到20世紀60年代，NASA的研究人員進行亞軌道測試後，才出現了真正可用的離子推進器。最終，1998年發射的「深空1號」證明了離子推進技術在太空船上的可行性。儘管「深空1號」最初的設計目標是測試12項實驗性技術，但憑藉其離子推進器，它成功飛掠了小行星9969布萊葉和博雷利彗星，傳回了當時人類觀測到的最佳彗星圖像和數據。 2007年發射的「黎明號」是第一個使用這項技術的純科學探測任務。
商業衛星早在1979年就開始使用離子推進器了。那麼，為什麼科學家花了這麼長時間才將其應用到太空船上呢？這或許是因為先前這種小眾技術一直沒有大規模的應用前景。 “我們開發技術並非為了開發技術，”格林說道，“一切都取決於我們想進行哪方面的科學研究，以及哪些技術已經接近成熟。”
通往火星的墊腳石
現在看來，世界似乎已經準備好將離子推進技術應用於太空探索。 NASA的小行星重定向任務將首次把一顆近地小行星送入繞月穩定軌道。該太空船將利用離子推進抵達一顆尚未確定的小行星，將其捕獲到「袋」中，然後利用化學推進使其減速，最終引導其返回月球軌道。如果使用常規燃料，這項任務將難以負擔。 「唯一能夠實現這一目標的技術是高功率太陽能-電力推進，」布羅菲說。 “我們知道它在‘黎明號’探測器的規模上是可行的，而我們需要的是功率更高的系統來實現火星探測。小行星重定向任務正處於中間階段，是通往火星的良好跳板。”
