När konstgjorda sonder äntligen når andra stjärnor, de kommer inte att drivas av raketer. Istället, de kanske åker på ett tunt segel som sprängs av en gigantisk laserstråle. Harry Atwater, Howard Hughes professor i tillämpad fysik och materialvetenskap, är projektledare för Breakthrough Starshot Program, som försöker göra dessa sonderingar till verklighet. I en ny tidning publicerad den 7 maj i Naturmaterial , Atwater utforskar några av de stora utmaningarna som projektet kommer att möta i sitt försök att göra mänskligheten till en interstellär art. Vi satt nyligen ner med honom för att prata om programmet.

Vad exakt är Breakthrough Starshot-programmet?

Det är ett multidisciplinärt projekt på 100 miljoner dollar som tillkännagavs 2016, syftar till att designa en rymdfarkost som kan skjutas upp till planeter som omger andra stjärnor och nå dem inom vår livstid. Tanken är att utveckla rymdfarkoster som kan färdas med nästan 20 procent av ljusets hastighet.

Varför kan det inte göras med konventionella raketer?

Problemet med traditionell raketframdrivning är att raketens sluthastighet begränsas av sluthastigheten för bränslet som kastas ut från raketen. För kemiska drivmedel, den övre gränsen för sluthastigheten är alldeles för låg. Den snabbaste rymdfarkost som någonsin har lanserats skulle ta tiotusentals år att nå närmaste stjärna, Alpha Centauri C. Det är helt klart opraktiskt för alla interstellära uppdrag.

För att övervinna det, vi planerar att använda själva ljuset som bränsle. Med andra ord, vi drar fördel av principen om att bevara momentum mellan ljus och material. Om jag har ett reflekterande föremål och jag lyser ljus på det, de rekylerande eller reflekterande fotonerna ger objektet fart. Om föremålet är tillräckligt lätt, att momentum kan fungera som en drivkraft, och då är den slutliga hastigheten för den sonden begränsad endast av själva ljusets hastighet.

Vilken är din roll i projektet?

Jag är rådgivare till Breakthrough Starshot-programmet. Programmet har tre stora tekniska utmaningar:Den första är att bygga den så kallade fotonmotorn, lasern som kan driva fram seglet; det andra är att designa själva seglet; och den tredje är att designa nyttolasten, som kommer att vara en liten rymdfarkost som kan ta bilder och spektraldata och sedan skicka dem tillbaka till jorden. Min roll är att hjälpa programmet att definiera vägar för att göra ett livskraftigt lättsegel som är kompatibelt med de andra målen för hela programmet. Det kommer inte att bli lätt:vi måste göra ett ultralätt föremål i stor skala som är stadigt och dynamiskt stabilt under framdrivning.

Vilka andra utmaningar finns det?

Utmaningarna som vi tar upp i vårt senaste dokument är att utveckla design- och materialkraven för denna verkligen extrema uppsättning tekniska förhållanden. Vi kräver något som inte har en massa på mer än ett gram, men som täcker en yta på cirka 10 kvadratmeter. Det betyder att den genomsnittliga tjockleken kommer att vara i storleksordningen tiotals till hundratals nanometer; mycket tunnare än ett människohår.

Detta wafer-tunna material kommer att utsättas för intensiv laserstrålning under framdrivningsfasen, med en intensitet på megawatt per kvadratmeter. Det är inte den högsta intensiteten som någonsin har genererats i ett laboratorium, men det är väldigt hög intensitet att interagera med en ultratunn, gossamer-liknande membranstruktur av det slag som vi pratar om här. Så det största kravet är att det måste vara ultrareflekterande så att vi kan ge fart och driva ljusseglet.

Finns det något material, eller familjer av material, som ser lovande ut för detta?

Ja. De bästa materialen är de som är dielektriska, eller isolerande, snarare än metalliska material, som överför elektriska laddningar. Ett bra exempel på ett dielektrikum som alla är bekanta med är glas, som är mycket icke-absorberande. Tyvärr, glas har lite för låg reflektivitet för att vara en effektiv kandidat för ljussegelmaterial, men det visar ändå vägen. De bästa materialen att tänka på är de som har högre reflektivitet men likaså låga absorptionskoefficienter.

Hur stämmer detta arbete med dina bredare forskningsmål?

Mitt forskarteam är mycket intresserade av hur ljus interagerar med material i nanoskala, eller material som är skulpterade eller formade i våglängdsskalan. En av de saker som är fascinerande är att nanostrukturerade material kanske kan generera riktigt optimala avvägningar mellan massa och reflektivitet, och även bidra till att ge stabilitet till seglet. Vi behöver att seglet är tämligen stabilt, vilket betyder att den inte faller av laserstrålen, så att säga.