En konstnärs uppfattning av rymdfarkosten Starshot Lightsail under acceleration av en markbaserad lasermatris. Tidigare föreställningar om ljussegel har föreställt sig att de passivt drivs av ljus från solen, men Starshots laserbaserade tillvägagångssätt kräver att man omprövar seglets form och sammansättning så att det inte smälter eller rivs under acceleration. Kredit:Masumi Shibata, Breakthrough Initiatives
Astronomer har väntat i årtionden på uppskjutningen av rymdteleskopet James Webb, som lovar att titta längre ut i rymden än någonsin tidigare. Men om människor verkligen vill nå vår närmaste stjärngranne, kommer de att behöva vänta ganska lite längre:en sond som skickas till Alpha Centauri med en raket skulle behöva ungefär 80 000 år för att göra resan.
Igor Bargatin, docent vid institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik, försöker lösa detta futuristiska problem med idéer hämtade från en av mänsklighetens äldsta transporttekniker:seglet.
Som en del av Breakthrough Starshot Initiative designar han och hans kollegor storlek, form och material för ett segel som inte drivs av vinden utan av ljuset.
Med hjälp av nanoskopiskt tunna material och en rad kraftfulla lasrar skulle ett sådant segel kunna bära en sond av mikrochipstorlek med en femtedel av ljusets hastighet, tillräckligt snabbt för att ta sig till Alpha Centauri om ungefär 20 år, snarare än årtusenden.
"Att nå en annan stjärna under våra liv kommer att kräva relativistisk hastighet, eller något som närmar sig ljusets hastighet", säger Bargatin. "Idén med ett lätt segel har funnits ett tag, men vi håller just nu på att ta reda på hur vi ska se till att de här designerna överlever resan."
Mycket av den tidigare forskningen på området har antagit att solen passivt skulle ge all energi som lätta segel skulle behöva för att komma i rörelse. Starshots plan för att få sina segel till relativistiska hastigheter kräver dock en mycket mer fokuserad energikälla. När seglet väl är i omloppsbana, skulle en enorm uppsättning markbaserade lasrar träna sina strålar på det och ge en ljusintensitet miljontals gånger större än solens.
Med tanke på att lasrarnas mål skulle vara en tre meter bred struktur tusen gånger tunnare än ett pappersark, är det en stor designutmaning att ta reda på hur man förhindrar att seglet går sönder eller smälter.
Bargatin, Deep Jariwala, biträdande professor vid avdelningen för elektro- och systemteknik, och Aaswath Raman, biträdande professor vid avdelningen för materialvetenskap och teknik vid UCLA Samueli School of Engineering, har nu publicerat ett par artiklar i tidskriften Nanobokstäver som beskriver några av dessa grundläggande specifikationer.
En artikel, ledd av Bargatin, visar att Starshots lätta segel – som föreslås vara konstruerade av ultratunna ark av aluminiumoxid och molybdendisulfid – kommer att behöva bölja som en fallskärm snarare än att förbli platt, som mycket av den tidigare forskningen antog.
"Intuitionen här är att ett mycket snävt segel, oavsett om det är på en segelbåt eller i rymden, är mycket mer benäget att slita," säger Bargatin. "Det är ett relativt enkelt koncept att förstå, men vi behövde göra en mycket komplex matematik för att faktiskt visa hur dessa material skulle bete sig i den här skalan."
Snarare än ett platt ark, föreslår Bargatin och hans kollegor att en krökt struktur, ungefär lika djup som den är bred, bäst skulle kunna motstå belastningen från seglets hyperacceleration, en dragning som är tusentals gånger så stor som jordens gravitation.
"Laserfotoner kommer att fylla seglet ungefär som luft blåser upp en badboll", säger Matthew Campbell, en postdoktor i Bargatins grupp och huvudförfattare på den första uppsatsen. "Och vi vet att lätta, trycksatta behållare bör vara sfäriska eller cylindriska för att undvika revor och sprickor. Tänk på propantankar eller till och med bränsletankar på raketer."
Den andra uppsatsen, ledd av Raman, ger insikter i hur nanoskala mönster i seglet mest effektivt skulle kunna avleda värmen som kommer tillsammans med en laserstråle miljon gånger starkare än solen.
"Om seglen absorberar ens en liten bråkdel av det infallande laserljuset, kommer de att värmas upp till mycket höga temperaturer," förklarade Raman. "To make sure they don't just disintegrate, we need to maximize their ability to radiate their heat away, which is the only mode of heat transfer available in space."
Earlier light-sail research showed that using a photonic crystal design, essentially studding the sail's "fabric" with regularly spaced holes, would maximize the structure's thermal radiation. The researchers' new paper adds another layer of periodicity:swatches of sail fabric lashed together in a grid.
With the spacing of the holes matching the wavelength of light and the spacing of the swatches matching the wavelength of thermal emission, the sail could withstand an even more powerful initial push, reducing the amount of time the lasers would need to stay on their target.
"A few years ago, even thinking or doing theoretical work on this type of concept was considered far-fetched," Jariwala says. "Now, we not only have a design, but the design is grounded in real materials available in our labs. Our plan for the future would be to make such structures at small scales and test them with high-power lasers."
Pawan Kumar, a postdoctoral researcher in Jariwala's lab, as well as John Brewer and Sachin Kulkarni, members of Raman's lab at UCLA Samueli, contributed to this research. + Utforska vidare
