Одним из многообещающих способов набрать скорость, достаточную для межзвездных путешествий, является «световой парус» — тонкая отражающая мембрана, которую сможет толкать лазерный свет примерно так же, как ветер толкает парусную лодку. Световые паруса могут сократить время полета к ближайшим звездам с нескольких тысяч лет до всего лишь десятилетия.
Исследователи разработали новый материал светового паруса для межзвездных полетов
Ученые Университета Брауна и Делфтского технического университета в Нидерландах разработали световой парус — сверхтонкую мембрану, предназначенную для перемещения аппарата с помощью лазерного света с невероятной скоростью.
Идея светового паруса Breakthrough Starshot. Википедия
С момента запуска в 1977 году космический аппарат NASA Voyager 1 пролетел более 20 миллиардов километров и покинул Солнечную систему. Это долгий путь, но это даже не 1% от расстояния до Альфы Центавра, ближайшей к нам звезды. Если люди собираются отправлять корабли к звездам, космические путешествия должны стать намного быстрее.
Группа исследователей из Университета Брауна и Делфтского технического университета в Нидерландах разработала новый способ проектирования и изготовления сверхтонких, высокоотражающих мембран для световых парусов.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, исследователи описывают мембрану светового паруса шириной 60 миллиметров и длиной 60 миллиметров, но толщиной всего 200 нанометров — крошечную часть человеческого волоса.
Поверхность имеет сложный узор с миллиардами наноразмерных отверстий, которые помогают уменьшить вес материала и увеличить его отражающую способность.
Экспериментальный материал для светового паруса.
«Эта работа стала результатом совместных усилий теоретиков из Университета Брауна и экспериментаторов из Технического университета Делфта, что позволило спроектировать, изготовить и испытать высокоотражающий световой парус с самым большим соотношением сторон, зарегистрированным на сегодняшний день», — говорит соавтор работы Мигель Бесса. — «Разработанный командой процесс изготовления масштабируется до размеров, необходимых для межзвездных путешествий, и может быть выполнен экономически эффективным способом».
Прорыв к звездам
Схема полета к Альфа Центавра. Пентагональные зеркала на фотонных кристаллах: масштабируемые световые паруса с улучшенным ускорением за счет оптимизации нейронной топологии.
Исследование является значительным шагом на пути к достижению целей, подобных целям инициативы Starshot Breakthrough, основанной предпринимателем Юрием Мильнером и покойным физиком Стивеном Хокингом.
Цель состоит в том, чтобы использовать наземные лазеры для питания сотен световых парусов метрового масштаба, несущих космические аппараты размером с микрочип. Исследователи говорят, что новый дизайн светового паруса можно довольно легко масштабировать до метрового масштаба, и с приемлемой ценой.
Для своей конструкции команда использовала однослойный нитрид кремния, легкий и высокопрочный материал, который хорошо подходит для дизайна светового паруса. Затем исследователи работали над тем, чтобы максимизировать его отражаущую способность, одновременно минимизируя его вес. Отражающая способность поверхности определяет, каково световое давление на парус, что, в свою очередь, определяет, насколько быстро он может ускоряться.
Процесс оптимизации включал проектирование рисунка наноразмерных отверстий — миллиардов отверстий по всей поверхности материала с диаметрами меньше длины световой волны. Команда использовала новый метод искусственного интеллекта, который они разработали, чтобы оптимизировать форму и расположение отверстий для повышения отражающей способности и снижения веса паруса.
Первый квадрат светового паруса
Экспериментальный парус в тестовой установке.
После того, как была разработана оптимизированная конструкция, команда во главе с Ричардом Норте приступила к ее изготовлению в лаборатории Делфтского университета. «Мы разработали новый метод травления, который позволяет нам аккуратно удалить лишний материал и получить легкий парус», — говорит Ричард Норте.
Изготовление этой конструкции традиционными методами было бы дорогим и заняло бы годы, говорят исследователи. Но с использованием новых методов изготовление заняло бы около дня и его стоимость сократилась в тысячи раз.
В результате была создана мембрана, которая, по мнению исследователей, имеет самое высокое соотношение сторон и толщины среди всех конструкций световых парусов на сегодняшний день. Исследователи надеются, что их методы не только помогут людям достичь звезд, но и раздвинут границы нанотехнологий.
«Новые методы машинного обучения и оптимизации, которые мы использовали здесь, являются очень общими», — говорит Бесса. — «Мы могли бы использовать их для создания множества разных вещей для разных целей. Это только начало. Мы оказались на грани решения инженерных проблем, которые до сих пор оставались неразрешимыми».