科學設施很多，但有的設施，一“出生”就注定自帶腦洞屬性，比如電磁橇！
電磁橇，圖片來自央視新聞截圖。
2022年10月，世界首個電磁橇設施在中國山東成功運行。作為中國科學院和山東省戰略合作的重大項目，電磁橇可將噸級以上的物體推進到時速1030千米。
當很多科幻愛好者第一眼看到電磁橇時，會不由想到經常在科幻作品中出現的“質量投射器”。
質量投射器，也叫質量加速器，是一種利用電磁加速的工具。
雖然在技術細節和名字上有差異，但在底層原理上，電磁橇、質量投射器，以及航母上的電磁彈射，它們其實都是一樣一樣的。
質量投射器從提出到現在，已經過去一百多年了，其目前最廣為人知的應用恐怕就是航母上的電磁彈射了。
是什么限制了質量投射器的大規模快速發展？
答案是地球自身。
怎么解決？換一個星球。
01 來自地球的限制
目前，電磁橇可將噸級以上的物體推進到時速1030千米。那么，通過技術改進，并大幅擴大規模后，未來能否將速度推進到時速2000千米，甚至3000千米？
理論上，這應該是可以的。但難度巨大，成本也巨大。
把電磁撬換成質量要小得多的電子，就是我們熟知的直線粒子加速器。例如美國斯坦福大學的SLAC直線粒子加速器，長度3.2千米，可以把電子加速到光速的99.9999999%，能量達到50 GeV。
從空中鳥瞰SLAC直線粒子加速器，圖片來自Wikipedia。
將電磁橇的規模擴大5倍，甚至擴大10倍，這其實不是最大的困難。
最大的困難來自于地球大氣。
毫無疑問，推進速度越大，受到的大氣阻力越大，當阻力大到一定程度，你再想進一步提升推進速度就會變得異常艱難，同時成本高到讓人望而卻步。
有網友可能會說，可以在一段水平且抽成真空的隧道里面進行電磁加速，那樣不就避免大氣阻力了嗎？
沒錯，是可以這樣。先不考慮成本和難度，只說一點，在這個真空隧道里，你將一個幾噸重的航天器推進到3倍音速，甚至5倍音速，然后呢？你打算拿來做撞擊試驗嗎？
別忘了，質量投射器的初衷就是用來輔助航天器進行低成本發射的。
有網友可能又會說，那么將隧道變成極為堅固的大管子，并把它垂直起來，直插云霄，那樣的話不就可以彈射航天器上天了嗎？
嗯，這個問題嘛，等你設計出一個垂直高度達十幾公里，且能穩固不倒的大管子再說。
你想到的，NASA已提前想到了。圖片作者：NASA。
既然地球不行，那就換個星球。
02 月球基地
預測一件事情何時發生，難度無限，多數時候人力不可為。
但預測一件事情會不會發生，則難度要小得多得多。
我們要做的，就是后者。
毫無疑問，月球基地必然會被人類建立起來，不在這個世紀，就在下一個世紀，或者下下一個世紀。總之就是必然會建立起來，這是人類的一個執念。
設想中的月球基地，圖片作者：NASA，Kitmacher。
既然月球基地早晚會建立，那么諸位不妨提前腦洞一下：
如果未來，中國的月球基地建立了，那么如何在月球上進行超低成本的航天器發射呢？
傳統火箭發射需要燃料，在月球上也如此。而在月球上，燃料的來源只可能有兩種。
一種是從地球上帶過去，這種方式成本極高。阿波羅登月就是采取這種方式。
阿波羅11號登月艙，圖片來自NASA。
從地球運送燃料到月球，偶爾幾次還行，但若想以這種模式維系月球基地，則這種模式幾乎會讓所有想建立月球基地的國家打退堂鼓。
另一種模式，就是在月球上分解礦物，再合成燃料。這種模式，以目前的技術水平，難度以及可行性統統未知。即使未來可行，成本可能比從地球上帶上去還高。
還有就是，若能在月球上合成物質，那么其實，最應該合成的不是燃料，而是生命之源——水。
因此，在月球上頻繁進行航天器發射，最好是能充分利用到月球上的優勢資源。問題來了，月球上有何優勢資源？
答案是太陽能。
月球上白天長達14個地球日，陽光直射的地方，溫度最高可達150攝氏度。 如此豐富的太陽能，無論是用光伏發電，還是光熱發電都沒有太大問題。
這樣一來，同等面積下，比地球豐富許多倍的太陽能資源必然會給月球帶來幾乎用之不竭的電力供應。而電磁橇只使用電，因此，使用電磁橇在月球上彈射航天器，可以說是順理成章的事。
03 電磁橇在月球上的優勢
第一大優勢，當然是月球上的真空環境。阿波羅飛船登月時，測得的月球真空最低可達10的負10次方帕，這意味著，月球上已經跨入極高真空這個級別了——對比常見的高能粒子加速器，其加速通道內部的真空度也在極高真空的級別。
對生命來說，真空是麻煩；而對電磁橇來說，真空卻是樂土。
沒有了大氣阻力后，想把航天器推進到何種速度，主要只取決于兩個因素：
一個是電磁橇的規模，一個是電力供給。
電磁橇規模越大，占地越多，但好消息是，目前月球上的土地不要錢。
質量投射器，圖片作者：NASA。
而電力供給呢，前文說了，完全不用擔心。足夠的太陽能資源可提供足夠的電力。
最重要的是，這些電力還能使用飛輪儲存起來。而飛輪儲能裝置最喜歡的環境恰好也是真空，真空度越好，飛輪儲能時間就越長。
第二大優勢，就是月球上的低重力環境。
月球質量為0.0123個地球質量，引力也只有地球的六分之一，故月球上的逃逸速度只有每秒2.38千米，而如果速度達到每秒1.32千米，就能成為繞月球轉的衛星。
每秒1.32千米，這種速度真的高不可攀嗎？其實并非如此。
地球上的某些動能穿甲彈，它們的槍口初速高達每秒1.74 千米。也就是說，如果這種穿甲彈可以在真空環境下發射的話，在月球上打一發炮彈就可以成為月球的衛星。
單位換算，圖片來自網頁計算后的截圖。
月球的低重力帶來了更低的逃逸速度和繞月速度，只要電磁橇將航天器推進到3.88馬赫就能成為月球衛星，而推進到7馬赫就能逃離月球。
到這里，有網友可能會說了，為了一個月球基地，建設這么一個大規模的電磁橇彈射器合適嗎？
合適呀。因為這可能將是整個月球上唯一的航天發射基地，建成后，其他國家的所有登月項目都可以付費使用。
最后，基地建立后，在月球上開采那些地球上極為稀少卻異常珍貴的礦物時，同樣也可以使用電磁橇直接將封裝好的稀有資源彈射到地球沙漠里，或者無邊草原上。
總之，在地球上，電磁橇未來會有怎樣的運用，似乎難以預測。
但在月球上，我們反正是提前想好了。
作者：寒木釣萌 科普作家、科技部“全國優秀科普作品獎”獲得者
審核：羅會仟 中國科學院物理研究所 研究員
出品：科普中國
監制：中國科學技術出版社有限公司、中科數創（北京）數字傳媒有限公司
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