Żagle nanofotoniczne mogą poruszać się z relatywistycznymi prędkościami

Trzecia miłość – żagle. Seweryn Krajewski – Krzysztof Dzikowski (Lipiec 2019).

Anonim

Pewnego dnia w niedalekiej przyszłości lekkie żagle mogą błądzić w przestrzeni z prędkością około 20% prędkości światła (lub 60 000 km / s), napędzane nie przez paliwo, lecz przez ciśnienie promieniowania z dużej mocy lasery na Ziemi. Podróżując z tymi relatywistycznymi prędkościami, żagle laserowe mogły dotrzeć do najbliższej sąsiedniej gwiazdy (innej niż Słońce), Alfa Centauri lub najbliższej znanej potencjalnie nadającej się do zamieszkania planety, Proxima Centauri b, w ciągu około 20 lat. Oba obiekty znajdują się nieco ponad cztery lata świetlne od nas.

Projektowanie lekkich żagli jest poważnym wyzwaniem inżynieryjnym, wymagającym jednak sprzecznych cech, które brzmią prawie niemożliwe: idealny żagiel lekki powinien mieć kilka metrów szerokości i być wystarczająco wytrzymały mechanicznie, aby wytrzymać intensywne promieniowanie, a mimo to mieć zaledwie 100 nanometrów grubości i ważyć zaledwie kilka gramów.

Dalsze wymagania wynikają z mechanizmu, w którym działają lekkie żagle. Zgodnie z równaniami Maxwella, światło ma rozpęd i może wywierać presję na obiekty. Jednak lekkie żagle nie są po prostu popychane przez ciśnienie promieniowania, tak jak żaglówka jest popychana przez wiatr. Zamiast tego pchanie wynika z lekkiego żagla odbijającego promieniowanie. W rezultacie optymalny żagiel powinien odzwierciedlać większość promieniowania w widmie w podczerwieni wiązki lasera, a jednocześnie emitować promieniowanie w zakresie średniej podczerwieni w celu wydajnego chłodzenia radiacyjnego.

Żagle nanofotoniczne

W nowych badaniach opublikowanych w Nano Letters, naukowcy Ognjen Ilic, Cora Went i Harry Atwater w California Institute of Technology, Pasadena, wykazali, że struktury nanofotoniczne mogą potencjalnie spełniać surowe wymagania materiałowe dla żagli lekkich, które mogą podróżować w relatywistyczne prędkości.

Poprzednie projekty lekkich żagli wykorzystywały materiały takie jak ultracienkie aluminium, różne polimery i włókno węglowe. W przeciwieństwie do tych materiałów, struktury nanofotoniczne mają zdolność do manipulowania światłem w skalach pod-długości, dając im przewagę w rozwiązywaniu jednoczesnych wymagań wydajnego napędu (odbicia) i zarządzania termicznego (emisji). Jako przykład, naukowcy wykazali, że dwuwarstwowy stos krzemu i krzemionki jest obiecujący ze względu na połączone właściwości obu materiałów. Podczas gdy krzem ma duży współczynnik załamania, który odpowiada wydajnemu napędowi, ale ma słabą zdolność chłodzenia, krzemionka ma dobre radiacyjne właściwości chłodzenia, ale mniejszy współczynnik załamania.

W swoim artykule naukowcy zaproponowali również nową wartość zasługi, która mierzy kompromis między uzyskaniem niskiej masy żagla i wysokim współczynnikiem odbicia. W przyszłości ta koncepcja pomoże zminimalizować ograniczenia mocy lasera i rozmiaru matrycy laserowej.

Tło na lekkie żagle

Chociaż konceptualizowany przez prawie sto lat, dopiero w ciągu ostatnich kilku dekad technologia wykorzystała wczesne wizje naukowców, by napędzać statek kosmiczny przy pomocy światła. Zainspirowany sposobem, w jaki promieniowanie słoneczne pcha ogon komety w przeciwnym kierunku, najwcześniejsze koncepcje dotyczyły żagli słonecznych, które wykorzystują promieniowanie słoneczne, a nie laserów.

Pierwszy żagiel słoneczny został wydany w 2010 roku przez japońską agencję Aerospace Exploration Agency (JAXA) i pomyślnie osiągnął orbitę Wenus w ciągu sześciu miesięcy, napędzany jedynie promieniowaniem słonecznym. Teraz naukowcy pracują nad zaprojektowaniem żagli słonecznych zdolnych do większych przyspieszeń, które są konkurencyjne w stosunku do przyspieszenia rakiety, oferując możliwość wystrzelenia statku kosmicznego bez kosztu miliarda dolarów konwencjonalnych materiałów napędowych.

Chociaż żagle słoneczne mogą osiągać prędkości podobne do rakiet, promieniowanie słoneczne jest stosunkowo słabe w porównaniu z układem laserowym o dużej mocy. W rezultacie, układ laserowy oferuje potencjał do znacznie szybszego napędu, aż do relatywistycznych prędkości - ale potrzeba więcej pracy zanim takie żagle zasilane laserem zostaną wykazane.

menu
menu