Rymdfarkoster utrustade med segel och som drivs av solen är inte längre något av science fiction eller teoretiska rymduppdrag. Nu, en forskare från Rochester Institute of Technology tar solsegling till nästa nivå med avancerade fotoniska material.

Metamaterial – en ny klass av konstgjorda strukturer med okonventionella egenskaper – skulle kunna representera nästa tekniska steg framåt för solsegel, enligt Grover Swartzlander, professor vid RIT:s Chester F. Carlson Center for Imaging Science. Han föreslår att ersätta reflekterande metallsegel med diffraktiva metafilmsegel. De nya materialen kan användas för att styra reflekterade eller sända fotoner för nära jorden, interplanetära och interstellära rymdresor.

"Diffraktiva filmer kan också utformas för att ersätta tunga och felbenägna mekaniska system med lättare elektrooptiska kontroller utan rörliga delar, " han sa.

Swartzlander leder en undersökande studie som stöds av fas ett-finansiering från NASA:s Innovative Advanced Concepts-program. De nio månaderna, $125, 000-priset uppmuntrar utveckling av visionär teknologi med potential att revolutionera framtida rymdutforskning. Optical Society är värd för ett inkubatormöte, Metamaterialfilmer för framdrivning i rymden genom strålningstryck, 7-9 oktober i Washington, D.C., att skapa en färdplan för att flytta fram metamaterialsegel på satelliter som kretsar i låg omloppsbana om jorden, kallade CubeSats. Swartzlander kommer att underlätta mötet med medarrangörerna Les Johnson, chef för In-Space Propulsion Technology Projects Office på NASA Marshall Space Flight och huvudutredare för NASA Near-Earth Asteroid Scout-uppdrag, eller NEA Scout; och Nelson Tabirian, ordförande för BEAM Co., som specialiserar sig på optisk teknik och material.

"CubeSats blir av stor nationell betydelse för vetenskapen, säkerhet och kommersiella ändamål, ", sa Swartzlander. "Potentialen att höja, de-orbit eller station-behåll hundratals CubeSats från låg jordomloppsbana skulle vara en erkänd game changer som skulle bygga entusiasm och opinionsbildning bland det växande småsatellitsamhället av studenter, entreprenörer och flygforskare och ingenjörer."

NEA Scout kommer att vara det första CubeSat-vetenskapsuppdraget med segel. Det är en av 13 satelliter som kommer att utföra vetenskapliga och tekniska undersökningar som en del av NASA:s Exploration Mission-1. EM-1 är planerad att lanseras i år på den nya Space Launch System-raketen. När utplacerad, NEA Scouts aluminiumbelagda polyimidsegel kommer att reflektera solljus för att driva fram spaningsroboten på sin tvååriga kryssning.

Swartzlander sa att diffraktiva metafilmsegel kunde korrigera kända begränsningar för reflekterande metalliska segel - överhettning, ineffektiv användning av fotoner och överdriven lutning av rymdfarkosten – eftersom de nya materialen kan:

• Lägre absorption:De föreslagna diffraktiva ytorna skulle eliminera problem som är inneboende i metallbeläggningarna, som värmer och äventyrar segelsubstrat;
• Återanvändning av fotoner:Diffraktiva segel skulle återvinna överförda fotoner, konvertera dem till solenergi eller diffraktera ljuset två gånger för extra fart. (Reflekterande segel reflekterar fotoner tillbaka till rymden eller absorberar i metallbeläggningen); och
• Förbättrad orientering:Diffraktiva segel bibehåller en mer effektiv position vänd mot solen, möjliggör högeffektiv framdrivning och generering av solenergi på inbyggda solceller. (Reflekterande segel fungerar bäst när rymdfarkosten lutar. denna orientering minskar projektionen av solenergi på seglet.)

"Diffraktiva segel kan också utformas för laserbaserad framdrivning, ett decennier gammalt koncept som nyligen har väckt stort intresse från privata investerare, resulterade i ett program som heter Breakthrough Starshot, " sa Swartzlander.

En ledare inom sitt område, Swartzlander har bedrivit banbrytande forskning om den optiska virvelkoronagrafen, optiska virvlar, ensamma, koherens teori, optisk pincett och optisk lyft. Han är chefredaktör för Journal of the Optical Society of America B .