En dag i en inte så avlägsen framtid, lätta segel kan springa genom rymden med hastigheter på cirka 20% av ljusets hastighet (eller 60, 000 km/sek), drivs inte av bränsle utan snarare av strålningstrycket från högeffektslasrar på jorden. Reser med dessa relativistiska hastigheter, laserdrivna ljussegel kunde nå vår närmaste grannstjärna (annan än solen), Alfa centauri, eller den närmaste kända potentiellt beboeliga planeten, Proxima Centauri b, på cirka 20 år. Båda föremålen är lite mer än fyra ljusår bort.

Att designa lätta segel är en stor teknisk utmaning, dock, kräver motstridiga funktioner som låter nästan omöjliga:ett idealiskt lätt segel bör vara flera meter brett och mekaniskt tillräckligt robust för att klara intensivt stråltryck, ändå vara bara 100 nanometer eller så tjock och väga bara några gram.

Ytterligare krav uppstår från mekanismen genom vilken lätta segel fungerar. Enligt Maxwells ekvationer, ljus har fart och kan som ett resultat utöva tryck på föremål. Dock, lätta segel skjuts inte bara av strålningstryck som en segelbåt skjuts av vinden. Istället, tryckresultatet från det lätta seglet som reflekterar strålningen. Som ett resultat, ett optimalt segel bör återspegla majoriteten av strålningen i laserstrålens nära-infraröda spektrum, samtidigt som den avger strålning i det mellersta infraröda området för effektiv strålningskylning.

Nanofotoniska segel

I en ny studie publicerad i Nano bokstäver , forskare Ognjen Ilic, Cora gick, och Harry Atwater vid California Institute of Technology, Pasadena, har visat att nanofotonstrukturer kan ha potential att uppfylla de stränga materialkraven för lätta segel som kan färdas med relativistiska hastigheter.

Tidigare ljusa segeldesigner har använt material som ultratunt aluminium, olika polymerer, och kolfiber. Till skillnad från dessa material, nanofotonstrukturer har förmågan att manipulera ljus i subvåglängdsskalor, ger dem en fördel när det gäller att tillgodose samtidiga krav på effektiv framdrivning (reflektion) och termisk hantering (utsläpp). Som ett exempel, forskarna visade att en tvåskiktsbunt med kisel och kiseldioxid visar lovande på grund av de kombinerade egenskaperna hos båda materialen. Medan kisel har ett stort brytningsindex - vilket motsvarar effektiv framdrivning - men en dålig kylningsförmåga, kiseldioxid har goda strålningskylningsegenskaper men ett mindre brytningsindex.

I deras papper, forskarna föreslog också en ny merit som mäter avvägningen mellan att uppnå en låg segelmassa och en hög reflektivitet. I framtiden, detta koncept kommer att bidra till att minimera begränsningar för laserkraften och storleken på lasermatrisen.

Bakgrund på lätta segel

Trots att det blev begreppsmässigt i nästan ett sekel, bara under de senaste decennierna har tekniken kommit ikapp forskarnas tidiga visioner om att driva ett rymdfarkoster med ljusets tryck. Inspirerad av hur solens strålning skjuter en komets svans i motsatt riktning, de tidigaste begreppen var solsegel som använder strålningstrycket från solljus snarare än från lasrar.

Det första solseglet lanserades 2010 av Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) och nådde framgångsrikt Venus bana på sex månader, drivs endast av strålningstrycket från solljus. Nu arbetar forskare med att designa solseglar som klarar större accelerationer som är konkurrenskraftiga med raketacceleration, erbjuder möjlighet att skjuta upp rymdfarkoster utan miljökostnaden för konventionella drivmedel.

Även om solsegel kan uppnå raketliknande hastigheter, solljusstrålning är relativt svag jämfört med en högeffektslasarray. Som ett resultat, en laseruppsättning erbjuder potential för mycket snabbare framdrivning, upp till relativistiska hastigheter-men mer arbete krävs innan sådana laserdrivna segel demonstreras.

© 2018 Phys.org