Инновационные светоотражающие материалы для ускорения космических зондов на расстоянии световых лет

Масуми СибатаИллюстрация космического корабля Starshot Lightsail во время ускорения с помощью наземной лазерной установки.

9 февраля 2022 г.

Путешествие к Альфе Центавра, нашему ближайшему соседу по звездной системе, находящемуся на расстоянии 4,37 световых лет, заняло бы гораздо больше, чем целая жизнь. Даже одному из самых быстрых зондов, запущенных человечеством, «Вояджеру-1», потребуется более 70 000 лет, чтобы добраться туда с его нынешней скоростью 61 500 километров в час.

Тем не менее, заманчивая перспектива достижения других звезд при нашей жизни побудила многих инженеров придумать творческие подходы к ускорению движения космических кораблей, включая легкие паруса с лазерным приводом. Вместо того, чтобы использовать ветер, как их древние корабельные собратья, легкие паруса приводятся в движение за счет света, отражающегося от их поверхности.

ФинансируетсяПрорыв Старшота, Это исследовательская и инженерная программа стоимостью 100 миллионов долларов, направленная на разработку новой технологии для межзвездных путешествий без экипажа. Исследование было недавно опубликовано в журнале Nano Letters. В двух отдельных документах группы предложили и оценили новые концепции формы, размера и материалов будущих легких парусов, предназначенных для быстрого ускорения, сохраняя при этом прохладу, чтобы они не перегревались и не испарялись в космосе.

Мощный лазерный импульс, излучаемый с поверхности Земли, обеспечит толчок, необходимый для достижения огромных скоростей, необходимых для более быстрых межзвездных путешествий. Этот луч ускорит небольшой «нанокорабль» весом не более одной трети унции в космическом вакууме. При правильной конструкции такой космический корабль мог бы развивать скорость около 20% скорости света, около 3,6 миллиона километров в час. На таких скоростях космический корабль, направляющийся к Альфе Центавра, сможет достичь пункта назначения примерно за 30 лет, а затем передать изображения и результаты измерений обратно на Землю.

Человечество никогда раньше не ускоряло макроскопические объекты до таких релятивистских скоростей. Для достижения этого прорыва необходимы экстремальные свойства всех задействованных компонентов, от лазеров до сверхлегкого зонда, а также самого паруса.

Паруса должны быть необычайно легкими — гораздо легче перышка — и в то же время способными адекватно отражать свет лазера, чтобы двигаться вперед. Парус диаметром около 2 метров может весить менее грамма или нескольких тысячных фунта.

Водна из бумагИсследовательские группы решили фундаментальную проблему, с которой сталкиваются паруса с лазерным светом: поглощение даже небольшой части лазерного света парусом может его разрушить.

«Мы продемонстрировали конструкции, способные быстро ускорять парус и корабль, который он тянет, при этом гарантируя, что он не развалится немедленно». — сказал Аасват Раман.

«К сожалению, когда вы нацеливаете на что-то мощный лазер, даже если оно поглощает очень небольшую часть этого лазерного света, оно будет иметь тенденцию сильно нагреваться», — сказал Аасват Раман, доцент кафедры материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который руководил этим исследованием. изучать. «Мы стремились решить эту проблему, разработав наноразмерные легкие паруса, в которых используются уникальные свойства материалов и оптическое поведение, возникающие, когда материалы структурированы в масштабах, сравнимых с длиной волны падающего света. Мы продемонстрировали конструкции, способные быстро ускорять парус и корабль, который он тянет, следя за тем, чтобы он не развалился немедленно».

Предыдущие исследования легких парусов были сосредоточены на увеличении скорости транспортного средства за счет долговечности или наоборот, но команда Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Университете Пенсильвании стремится найти реалистичный баланс между обоими.

Команда включила дисульфид молибдена, новый атомарно тонкий «2D» материал с высоким показателем преломления, а также нитрид кремния, материал, который также обладает свойствами, необходимыми для эффективного отвода тепла. Их моделирование показывает, что эта конструкция паруса может не только пережить начальную фазу ускорения, которая продвигает легкие паруса вперед, но и достичь целевой скорости на расстоянии, близком к Земле. Это важно, поскольку лазер, нацеленный на парус, будет излучаться с Земли и не сможет привести парус в движение, как только транспортное средство преодолеет определенное расстояние.