电推进、20 纳米的锥体，以及 Natalya Bailey 为什么不想排进火星的前一千人

Lex Fridman 开场讲了 Bailey 讲过的一个童年故事：她仰望星空，梦想着有一天能和外星智能对话。他把问题问得很直接：她觉得宇宙里有生命吗？其中有没有智能生命？她把问题拆开来看。考虑到宇宙存在了这么久，又有这么多恒星拥有行星，能自我复制的生命似乎很有可能。智能生命就更难说了。她对此抱有希望，但也有些失落，因为据说到现在都没有谁和我们联系过。

Fridman 提出一条类似 Carl Sagan 式的退路：他们可能已经尝试过了，只是时间尺度不同，或者通过我们太迟钝、察觉不到的媒介。他又往前推了一步：如果这个媒介就是我们呢？就是人类的集体智慧，就是我们能够提出这个问题这件事本身？Bailey 从没这样想过。“我的思路从来没有走到那里，但我喜欢这个想法。”她说。她补充说，在这幅图景里，总得有什么东西跑得比光快，而她对此也抱有希望。

同样的宇宙好奇心，也是她投身这个领域的原因：为人类积累的知识添砖加瓦。火星或木卫二（Europa）上如果有生命，会让她非常兴奋，不过离家这么近的东西，她也拿不准，而且污染问题很难厘清。Fridman 指出，一次阳性发现会改变德雷克方程中的一项，并意味着基础生命可能存在于数万亿颗行星上。对太阳系内的一无所获，Bailey 并不慌张。地球显然是附近最适宜居住的星球，而其他地方的生命可能根本不像我们。她仍然怀疑，树木在一个我们无法体会的时间尺度上，可能比人类更聪明。

人类怎么才能到达火星？Bailey 的回答出奇地坚定。SpaceX 和马斯克会把第一个人送上地表，距离这次对谈其实不算太远，即便他的时间表会往后拖。轻松的说法是，这像是穿越回冷战初期，只是目标从月球换成了火星。笑话背后有一个判断：眼下没有任何科学或技术上的因素，让这趟旅程在短期内变得不可能。真正的障碍是政治和资金。

Fridman 又问，人一旦多到超过少数几个人，谁来制定规则？他提到 SpaceX 合同中的一段条款：地球政府没有管辖权，火星居民自行定义规则。Bailey 觉得这“很像这个国家的开国元勋”。她说，纯粹的科学好奇心只能换来很小的探索预算。真正能支撑长期驻留的，是灾难或迫在眉睫的危机之类的东西，而她并不希望发生那样的灾难。她也看不出有哪种私营部门的商业模式，能够支撑一个殖民地。

接着她提出一个立场，她承认这在自己的行业里并不寻常。像细菌一样向星球之外扩散，也许并不是人类该做的事。她认为，脆弱的生物性可能是机器人或硅基探索道路上不必要的障碍。把人送到火星已经很难，再远就更难。如果目标是获取更多知识，那就别再想着送人了：派机器人去，或许带上一个干细胞培养皿，甚至连这个都可以不带。Fridman 觉得这画面很悲凉：文明已经消失，一艘孤独的航天器还在飞。Bailey 说，这要看目标是什么。换个角度看，它也可以是一个装着知识与 DNA 的时间胶囊，比所有人都活得更久。“这样我晚上才睡得着，”她说。

机器人优先的论点，和她年轻时的一个抱负并存：Bailey 曾想当宇航员。原因并不特别浪漫。她喜欢在实验室里工作、做实验，并且想要最酷的那间实验室，也就是国际空间站。她把它视作轨道上的研究平台，有电力、温控和微重力，这样描述工作很平淡，但也很能说明问题。

她说，空间站预计在 2025 年前后退役，她为此感到遗憾，尽管已有私营公司计划建造自己的空间站。Fridman 问了一个度假式的问题：如果民用太空旅行开放了，她会去火星吗？她说不会。她的风险承受程度已经变了：她有三个年幼的孩子。她不会是第一批一千人里的那一个。她还说，地球其实还挺好的。

Bailey 说，基本原理是动量守恒：你把东西从引擎后面抛出去，航天器就朝相反的方向前进。主要有两大类。化学推进（chemical propulsion）是人们在电视上看到的那种响亮、带火焰的推进：燃料和氧化剂燃烧，储存的化学能加热生成的气体，喷管再把这些气体向后导出。固体和液体燃料都归在这一类里。电推进（electric propulsion）则改用电池或太阳能板的能量，从飞行器中喷出去的是带电粒子，由静电场或电磁场推出。动量交换是同一个道理，只是穿的衣服不同。

化学推进系统已经被充分理解。在最简单的形式里，它们就是烟花，这项技术大约从公元前 400 年就有了，即便是大型发动机也已经被摸得相当清楚。最后几个空白之一，是燃烧的确切产物。在那种高温、高速流动的气体里，模型会失效，要想更接近答案，你得同时闯进好几个科学领域。她说，人们真正关心的是燃料效率。化学发动机瞬时推力很大，但单位燃料所产生的推力却很小。电推进是效率更高的选择，所以大量工作都投向了这里。

热管理问题始终绕不开，因为帮你的那团火，同样会把火箭烧熔。相比之下，电推进在她看来“理解得还很少，反倒让人耳目一新”。大学里，一门推进课九成的时间讲化学发动机，最后十分之一才讲电推进。那位教授的一句话让她印象深刻：我们只是大致懂它怎么工作，但它确实能用。即使是离子引擎，这种较为直接的静电设计之一，也同时涉及量子力学、材料科学、流体力学和静电学。正是这种交织，让她着迷。

Bailey 勾勒了主要的几类电推进。离子引擎和霍尔推进器从 1960 年代就已存在；离子引擎稍微简单一点，因为它产生推力时不用磁场。第三类是其他等离子体装置，包括类似 VASIMR 引擎的装置。第四类就是她所研究的胶体推进器，它和离子引擎有许多共同之处，同时又有足够的差异，足以单独成类。

在离子引擎里，像氙或氩这样的中性气体，会和一股高能电子流一起注入电离室。一切都在随机运动。目标是通过碰撞，把二次电子从中性原子上撞下来，留下一个正离子，形成等离子体。其中一部分离子会向下游漂移，穿过两层带孔的栅极，两层栅极之间加有电压。电场把那些幸运的离子加速推出尾部。按面积折算，撞到壁上的离子数量也差不多，它们失去电荷，成为效率损失的主要来源。

还有一个电荷平衡的问题。航天器基本上是电中性的，而你刚刚射出了一束正离子束。如果放任不管，这些离子最终会飞回来。外部阴极会把电子注入束流，把它中和，使排气呈净中性，从而不再飞回。温度依然重要，尤其是现在大家都喜欢发射的小卫星。等离子体很热，那些高能电子会把热量倾泻到壁上。她估计电子能量大约在一百电子伏特的量级，并打算在纸上把它换算成开尔文。能把手伸进去吗？不能。

上世纪中叶的电推进研究者，就已经知道除了电离气体之外，还有另一种带电粒子的来源：某些液体，尤其是离子液体。离子在电场中就会产生力。难点在于尺度。你得在纳米或几微米的尺度上操纵这些液体，大约相当于一根头发的直径，而 1950 年代还没有办法做到。这些想法被写进了书里，随后就销声匿迹了。后来，硅基 MEMS 代工厂让这种几何结构成为可以制造的东西。Bailey 在麻省理工学院（MIT）的导师把那些旧论文重新拼起来，意识到这项技术终于可以实现了。

其机理是一种平衡。强电场会拉扯液体，表面张力则把它拽回去。两者一旦相等，液体就会形成一个锥体——泰勒锥（Taylor cone）。在尖端，曲率半径趋近于零，而场强与半径成反比，因此会趋向无穷大。从尖端射出的是一股离子流，没有什么虫洞可言。纯离子锥的发射区域大约是二十纳米的量级。Fridman 原以为会大一些。“所以这东西很小，真的很小，”Bailey 说。这就是为什么它直到最近才做得出来。

工程上的诀窍不是手工雕出一个二十纳米的锥体。他们用微加工的方式做出数百乃至数千个尖锐的支撑尖端，曲率半径大约在一微米的量级，并从多孔芯片的背面向每一个尖端供应液体。这些支撑结构决定了束流会在哪里形成，因此上方的栅极可以在正确的位置开孔，而且它们会集中电场，使得所需的电压小得多。Accion 把这个成果称作推进器芯片：一平方厘米，目前大约有五百个发射极，计划在未来几个月内把密度提高四倍。储箱持续供液，功率电子器件与航天器通信，并负责开关器件。严格来说，这项工作更接近离子电喷雾，经典胶体推进则是从射流上脱落的液滴。把锥体缩得足够小，就能得到纯离子。

还有什么仍然神秘？不稳定性（比如液量多少、电场多强、发射为何闪烁）在过去两年里才变得清楚得多。两个尺度之间仍然联系不紧密。在分子尺度上，它们会提取大分子离子；部分场能会进入化学键，分子振动，有时还会断裂。把视野拉远，束流本身又有自己的集体行为。两幅图景之间的缺口，正是能让你预测引擎性能的关键。Fridman 问，这是理论还是工程？她说两者都有，不过 Accion 是家创业公司。他们负责制造、测试、观察和表征，眼下并不深入理论。

被问到太空里最美的想法时，Bailey 不断地撞上材料科学。十年来，她想深挖的每个问题，只要挖得够深，最后都会落到这里。即使是她自己的设备，液体也是靠毛细作用从储箱输送到发射极尖端的，这又会牵涉到润湿和表面能，再往深处就是量子力学。在这些尺度上，有太多东西还没被理解，她对此感到振奋。更广泛地说，她记得自己学到过：描述机翼上气流的那个偏微分方程，同样被用来给期权定价，也就是布莱克-肖尔斯模型（Black-Scholes）。“这种联系让我觉得真的很神奇，”她说。Fridman 开玩笑说，这大概是在复用代码。她当时的反应是去应聘了一份金融工作。

这种发动机不能用来让你离开地面，瞬时推力太小。不过，假以时日，这份加速度累积起来，仍然能达到对探索有意义的速度，即便是载人任务也是如此。她认为，电推进真正的限制是电源。太阳能板效率低、体积大；电池什么时候能实现跨越式进步，她也说不准。核动力则能让电推进系统保持极高的燃料效率，同时为更有价值的任务提供更大的瞬时推力。世界上已经发射过一些核动力航天器，但反应堆和加热器体积庞大，适合大型星际任务，而且背后纠缠着一堆政治问题。

轨道级火箭本身能不能改用电推进？她说有可能，前提是电源要大得多，也就是核动力，而且要像化学火箭那样分级设计，把用完的引擎丢掉。人们一直只愿意在高度冗余的安全模式下发射核系统，关着，直到飞得足够远。在上升段就使用它，仍会让很多人感到不安。她指出，所有做核动力的人都已经证明了它有多安全，但公众的风险估计仍然朝相反的方向。采访前一年，特朗普政府放松了部分监管，NASA 和其他机构也开始重新推动这项工作。她认为，现在是重新审视它的好时机。

化学发动机仍然在轨道上飞行，但这也正是你可能选择电推进的地方。即使卫星的唯一目标是待在原地，它也需要推进。地球引力场在轨道上不断变化，把你拽离原位；其他摄动力也在做类似的事。大多数运营商想要的更多：点火躲避碎片，下降到更低的高度拍摄更清晰的图像再返回，以及在寿命结束时负责任地处理。低地球轨道的卫星通常会在大气层中烧毁。地球同步卫星大约在四万公里的高度，把它们压低所需的推进剂，比整个任务消耗的还多，所以它们会被送到更高处，进入墓地轨道，衰变需要大约一百万年的量级。“我们也正在把那个更高的区域弄得乱七八糟，”Bailey 说。这只是没有低地球轨道那么紧迫。

她听说过一个经验数字：一些小卫星每年要做大约三次规避碰撞的机动。规划仍然主要在地面进行，自主化的部分很少。与此同时，摩尔定律让航天器便宜到一些团队干脆发射时完全不具备机动能力，就指望别撞到我。这种逻辑的商业版本，是发射二十颗小卫星，取代一颗大卫星，这样哪怕丢了一颗也承受得起。但物理规律可不会因此改变：一颗像样大小的卫星被撞中，就会变成一场产生上万块碎片的弹道事件，这些碎片随后又会去撞其他卫星。

她说，大约 1990 年前，典型卫星有校车那么大，造价二十亿美元左右。Accion 最早的发射任务搭载的是鞋盒大小的航天器，由高中生制造。大卫星不会消失：广播需要覆盖范围，而光学孔径并不遵循摩尔定律。最常见的最小规格是十厘米见方的立方体，小到能装下一个垒球；一些公司为了低带宽的物联网（IoT）还做得更小，比如在大洋另一端给船只发送定位信号，这些卫星通常最后都会掉下来。她判断要不要给卫星装引擎的经验法则是：重量超过大约二十公斤，在轨运行需要一年以上，或者造价超过大约十万美元。“小卫星”这个说法，她指出，本身其实还挺大的，而且术语一团乱。

会有几百万颗卫星吗？她认为几万颗是可以想象的。成像市场应该会趋于饱和：一颗卫星或一个星座，可以把同样的图像卖给无限多的客户。通信则不是这样：宽带和卫星电话受限于转发器，用户越多，就需要越多的航天器，而数据消耗也没有放缓的迹象。Fridman 看完一部地平说纪录片后，问她有什么最有说服力的证据，证明地球是圆的。Bailey 挑出的是从月球拍摄的照片：登月器、月表，以及远处的地球。你先会想到我们是多么渺小，无足轻重。然后你会意识到，人类真的在另一个天体上着陆过。Fridman 称之为改变视角的“暗淡蓝点”。她喜欢这种渺小与我们做成过一件很酷的事之间的并置。

Fridman 对火星上的人类很执着，还拿她拒绝排进前一千人的事开玩笑。Bailey 的门槛更接近两百万人，大致相当于美国签署《独立宣言》时的人口。她想在大家起草文件的时候到达。让她担心的并不是健康风险，也不是飞行的工程问题。早期殖民看上去像一座监狱：空间紧闭，选拔压力大，还有各种戏剧性的纷争，因为总是会有。她希望届时已经有了一些规则。她还承认，自己也想要奈飞。

Fridman 把这件事变成一个更罕见的机会：最早的一批人可以从零开始定义一个社会。金融体系可以用加密货币；政治上可以尝试更直接的民主形式，取代代议制。Bailey 仍然想作为公民参与其中，而不是去当那个开路的人。前一千人的方案排除了。前一百万人还是太早。两百万大致正好。

Bailey 说，真正的颠覆者是那种不必把质量抛出船外的推进方式。每隔几年，就有某家初创公司或某篇论文宣称做出了这种装置。动量守恒依然成立：你要么自己带着推进剂，要么从小行星上把它开采出来。她提到了卡西米尔效应（两块极板靠得足够近时，真空涨落可能产生净作用力），并承认她可能把几种无推进剂的想法混在一起了。它最终可能是真的。她不知道怎么做到。

最近的一次热点是 EmDrive，当年三月前后被揭穿。它宣称，谐振腔里的微波能产生推力。人们从一个松散的概念直接跳到了硬件，用推力天平测量受力，其他实验室也造出复制品，测到了类似的数值。没有人能解释它。支持者说，微波没有变，但腔内的光速变了，所以动量仍然能闭合。最后，她认为是 NASA 的某个人造出了这个装置，测得同样的推力，然后把它从支架上取下，反向装上，再重新通电。推力的方向没有变。那其实是与测试台或腔体之间的相互作用。如果无推进剂推力真能成立，那就太好了，但她不知道怎么做到。

来自 4.2 光年外比邻星（Proxima Centauri）方向的一个候选信号，把问题引向了速度：什么样的推进方式，能让探测器在一生之内抵达那里？她提到突破摄星计划（Breakthrough Starshot）：克级重量的芯片探测器，在仍靠近地球时就由激光加速。她喜欢这个项目，因为它是一堆彼此独立、尚未解决的难题：激光阵列，然后是在目的地有足够的功率，把信号喊回家。目前它的任何一部分都做不到，这也正是吸引力所在。接近光速的载人飞船，已经超出了她能够可信描述的范围。狭义相对论说，当你逼近光速 c 时，静止质量会变得无限大。在她孩子般的心底，她仍然觉得我们遗漏了什么，无论是暗物质，还是其他维度。量子隧穿是她日常的提醒：一个电子此刻带着这份能量待在这里，下一刻又带着那份能量出现在那里，而我们几乎没有完全理解，就已经在利用这一效应了。

Bailey 说，创办 Accion 在早期其实相对直接。她不愿意在火箭科学里用“容易”这个词，但离子引擎本身是一个很吸引人的愿景。这个愿景必须一直令人兴奋，因为一切都糟透了的时候，它才是让人们起床的东西。早期员工同样重要：他们有自己的人脉，所以公司不只是第一批团队的简单加总。她的主线，是真正的人际网络，包括主动找上门来的引荐，以及会议上那些跳过寒暄、“古怪又尴尬”的对话。她内向到宁愿戳瞎自己的眼睛，也不愿在场子里穿梭应酬，于是她会和一个人缩在角落里，聊外星人。她说，这些关系，将来都是可以找得上的。

值得留意的行业趋势是成本，而且你得比你想象的更早提前布局。自美国航天工业起步以来，人们为一台离子引擎支付的是两千万到两千五百万经通胀调整后的美元；现在客户想付的，大约只是一万美元。NASA 制造这些引擎时没有批量化、可大规模生产的工艺，而是靠一个人二十年来一直像定制首饰一样做。Accion 的非常规举措是硅基 MEMS 制造。Fridman 担心，像汽车行业那样的成本压力，可能会挤掉真正承担技术风险的利润空间；Bailey 同意，同样的模式在航天领域也出现了。她并不把 SpaceX 当作竞争对手，希望它不久之后会成为客户。她还补充说，她在麻省理工的导师过去常把一块推进器芯片别在翻领上当徽章。

2020 年地面上一片阴郁，但对她的领域来说却出奇地亮眼：SpaceX 和 NASA 两次成功执行了首批商业载人飞行任务。Accion 把发射直播投到了户外屏幕上。评论员一直说“Bob and Doug”，这对宇航员来说显得有些随意，更像是 Chris Hadfield 在弹吉他，而不像是一个人代表整个物种。她认为这种转变是好事。前往空间站的载人飞行已经常态化，人们几乎不再注意到海上溅落，而这本身就很神奇。她说，美国政府收缩的地方，私营部门站了出来：对商业工作来说时机差不多正好，但对探索和科学来说还太早。其他国家在投入更多。她希望在科学上投入更多公共资金，即使 NASA 不是最快的载体。“我们其实还处在非常早的起点，”她说。

给想创业的人的建议：确保你的愿景能让你起床，并能召集其他人，因为机会主义撑不过糟糕的日子。尽量长时间地紧扣第一性原理与基本功。对问题、客户以及如何推动一件事前进的深刻理解，胜过所有本科创业课程，无论是不是硬件。Accion 的指路星从未改变，但在这颗星之内，他们经常反复摇摆，比如是先推出更小的第一款产品，还是放手一搏，直奔大目标。在她看来，文化是最常被当作事后补丁的一部分。创始人很少为它腾出时间，然后又试图日后去修补一种“兄弟文化”。你不能等上五到十年，再随便找个人事专员来收拾这摊烂摊子。

她原以为，价值观可以作为一件和创始人本人截然不同的东西宣布出来。事情并非如此。“我们其实就是把自己的行为渗出来，然后公司就围绕着它长起来。”你必须做自我反省，否则就会形成糟糕的文化。Fridman 谈到自己在工作中会用乔布斯式的口吻发火，然后不得不有意识地判断，这种信号是否值得付出代价。Bailey 带给领导力教练的第一个项目，是如何不对那些犯蠢的人发火。第一步是先把道歉学好，因为行为本身需要更长的时间才能改变。教练的练习几乎有些傻气：每次穿过一道门，就想一下“冷静”，吸一口气，然后再回应。习惯只改变了一点点。她现在好多了。

三本书。F. Scott Fitzgerald 的《夜色温柔》标志着她成年后阅读的开始；回头看，她不觉得它有多好，但它华丽的文笔让经典读起来没那么吓人，因为她后来发现，经典大多是爱情故事。David Deutsch 的《无穷的开始》用物理学的严谨来框定模因、作为终极模因的 DNA、无穷以及客观之美，她还说，这本书和她嫁给丈夫这件事也有点关系。第三本毫不掩饰：是《哈利·波特》。前三本出版时她十岁，她是跟着哈利的时间表长大的，七本她都读了九到十遍。能让你一直读下去的东西都算数，包括在阅读低谷期读一本烂俗的侦探小说。Accion 的官方说法是 accelerate（加速）加 ion（离子）。真正的版本是 Accio，那个召唤咒，再加一个 n。哈利在与巨龙搏斗时，就是用它从宿舍里把自己的扫帚召唤过来。

对她的丈夫来说，小说成了练习共情的方式；对 Fridman 来说，小说则是不坐飞机的旅行。Bailey 对三岁的孩子说，读书是为了在脑海里看见各种地方，但孩子更喜欢一边吃爆米花一边看《冰雪奇缘》。电影替你决定了画面。书会与你自己的希望和恐惧混在一起，这也是改编有时会伤人的原因。谈到生命的意义（在研究太空推进时，你几乎不可能不问这个问题），她认为，生存和繁衍已经不再是全部故事。知识的追求与创造，才是。即使小行星让我们灭绝，只要下一个文明不必从头开始，这项事业依然是有意义的。她很喜欢谷歌早期让全世界的信息都可以被搜索的使命，她认为每个人都应该给维基百科捐款。一个孤独的航天器上存活下来的维基百科 U 盘，就足以说明这个文明没有白白过完。另一半，即合作与爱，她还没有完全想清楚如何衔接。日常里，这归结为两件事：“爱与知识”。Fridman 以 Carl Sagan 的一句话收尾：所有文明，要么变成星际文明，要么灭绝。