“突破攝星”計劃的原理非常簡單——建造一個由大量高強度激光器組成的陣列，通過鎖相（phase lock）裝置彙聚為功率高達100千兆瓦的單波束。將激光束引導至等候在地球軌道上的重量不到一克的納米飛船光帆上，利用光子產生的壓力使飛船加速。短短幾分鍾之內飛船速度可達到每小時1.6億公裏，在20年之內就能抵達比鄰星，再用搭載的傳感器拍下比鄰星附近行星的照片並傳回地球。
光帆技術不僅可以幫助人類親眼目睹係外行星的真容，還能大大縮小太陽係旅行的時空距離。20%光速的納米飛船一小時之內就能到達火星，到冥王星僅需一天，飛到星際空間隻要一周就夠了。相比之下，NASA探測器飛抵火星需要9個月，新地平線號飛掠冥王星花了9年，1977年升空的旅行者1號用了15年才突破日球層。即使宇宙飛船速度隻提升到光速的2%，相比現在也是巨大的進步。
菲利普·魯賓
作為“突破攝星計劃”的智囊團成員之一，菲利普·魯賓教授今年66歲，步伐輕快，頭發烏黑，外表看上去比實際年齡要年輕許多。
在接受記者采訪時，魯賓形容自己就像一個嚴肅而早熟的孩子，對現實世界感到不安，隻能從數學和科學中尋找慰藉。在繁瑣枯燥的研究中，魯賓能夠體會到一種別樣的美。對於他來說，去圖書館讀書如同靜修一樣，是他保持心靈安寧的獨特方式。
即便如此，年輕時的魯賓也沒想過自己會走上學術之路。他的父親來自立陶宛，職業是一名郵遞員，連高中都沒有畢業，母親出生於俄羅斯，一輩子從事的都是秘書之類的工作。出身於這樣的移民家庭，考入常青藤名校似乎是難以想象的事情，但機緣巧合，魯賓在洛杉磯一名學校輔導員的鼓勵下報考了社區大學，並從那裏轉到加州大學伯克利分校，最終聽從教授的建議考入哈佛大學研究生院。回首求學之路，魯賓半開玩笑稱自己就像一個傻瓜。
空間推進技術的革命
今天的魯賓是一名宇宙學家，雖然本職工作是擺弄各種宇宙背景輻射測量設備，但學術興趣頗為廣泛。在一次防禦小行星技術會議上，眾人正興致勃勃地討論用激光摧毀威脅地球的近地天體，魯賓卻突發奇想，冒出激光推進飛船的念頭。
魯賓認為，人類空間推進技術的發展過於緩慢。今天在役的火箭大多數仍然靠液體燃料驅動，和二戰期間的德國V2火箭沒有本質區別。相比之下，現代計算機的運算速度比75年前提高了數萬億倍。NASA的SLS超重型火箭研發投入已經超過120億美元，至今仍未準備就緒。如果航天技術的進步幅度能和信息技術相媲美，類似的重型火箭成本可能早就降低到幾分錢。
要想製造價格如此低廉的宇宙飛船，傳統的化學動力驅動明顯力不從心，但恒星產生的光子卻可以提供我們源源不絕的動力。在太空中遨遊的航天器幾乎沒有任何阻力，隻要表麵足夠光滑，撞擊它的光子就會產生微小的推力並使其加速。如果用一束足夠強的激光持續照射一艘飛船的“光帆”，就能使飛行器像大海中乘風破浪的帆船一樣，速度在短時間內得到巨大提升，最終達到相對論速度——這就是“突破攝星”計劃的關鍵技術之一“光帆推進技術”的原理。
納米飛船和係外行星
“突破攝星”計劃設想發射一艘“太空母艦”進入地球高空軌道，在那裏部署大量“納米飛船”。每個飛船由兩部分組成——大小幾厘米，重量僅幾克的星芯片（StarChip），以及一個展開麵積4米X4米的光帆（Lightsail）。部署在地麵上的激光陣列將光束聚焦到光帆上，每麵光帆接受的能量大約為1萬億焦耳，飛船加速度可達100千米\/秒^2。
地基激光陣列由單個功率10千瓦的激光器組成，覆蓋麵積1平方公裏，總輸出功率高達100千兆瓦。為了彌補長途星際旅行中與星際塵埃相撞導致的損失，這支“星際艦隊”將擁有1000艘微型飛船，它們的最終目標是4.2光年外的比鄰星。天文觀測顯示比鄰星附近有一顆和地球大小差不多的行星——比鄰星b。按照科學家的設想，人類飛行器將飛到和比鄰星b相距1個天文單位（1.5億公裏）的地方，在這個距離飛行器搭載的相機可以捕捉到係外行星表麵的高分辨率圖像。
三大挑戰
菲利普·魯賓承認，“突破攝星”計劃麵臨諸多難以克服的工程學障礙。比如目前還沒有足夠強大的激光器產生推進光帆的激光束；其次，工程師還有找到一種輕巧而堅韌的光帆材料，既能反射熾熱的光束又不被其摧毀；另外，現有航天器還無法縮小到一枚郵票大小，重量也很難減輕到幾克。
目前，研究團隊正在探討如何將直徑10厘米的單個激光器構建成龐大的激光陣列，通過相位鎖定放大到足夠的強度並彙聚為單光束。和天基激光器相比，地基激光陣列成本更低，但也更容易受到大氣湍流幹擾。這就需要航天器本身返回信號，引導激光束持續照射。
另一方麵，光帆的概念幾十年之前就已提出，直到2010年日本“伊卡洛斯”號才展開14平米太陽帆，成功實現靠太陽輻射遨遊太空的設想。相比之下，突破攝星微型飛船所承受的絕非溫和的“太陽風”，而是人類有史以來最強大激光器製造的“光束風暴”。
為了使十幾平米的光帆重量小於1克，其厚度大概相當於幾百個原子排列在一起。有“新材料之王”美譽的石墨烯足夠致密，力學性能也非常突出，但這種材料不具有反射性，表麵必須敷以塗層。金屬材料的反射性夠強，但重量又不滿足要求。考慮到光帆的材質最好兼具透明度和反射性，因此玻璃無疑是最好的選擇，但其結構和性能還有待優化。