Wissenschaftler des California Institute of Technology haben einen großen Schritt in die Entwicklung von Lichterschichten unternommen, die eines Tages winzige Raumfahrzeuge zu entfernten Sternsystemen tragen könnten.
Die neuen Befunde beschreiben eine Methode zur Messung der Kraft des Laserlichts auf sogenannten “Ultradünnen Membranen”. Dies ist eine Forschung, die dazu beitragen könnte, die Vision der bahnbrechenden Starshot-Initiative von lasergetriebenen Raumfahrt zu fördern.
Breakthrough Starshot wurde 2016 vom verstorbenen Stephen Hawking und Tech -Investor Yuri Milner gestartet und zielt darauf ab, Miniatur -Sonden an Alpha Centauri, das engste Sternensystem für die Erde, zu senden. Der Plan basiert auf leistungsstarken Lasern auf der Erde, die in den Kosmos wie The Wind für Segelboote hier auf dem Planeten empfindliche Segelsonden vorantreiben, sodass das Handwerk rekordverdächtige Geschwindigkeiten erreichen kann, ohne dass ein chemischer Treibmittel erforderlich ist.
Leuchten sind eine generische Form des Solarsegels, indem sie Strahlungsdruck von einer Lichtquelle verwenden, um Antrieb zu erzeugen. Der Strahlungsdruck ist die Übertragung von Impuls durch Strahlung, die eine Oberfläche wie der Wind auf Leinwandsegel hier auf der Erde trifft. Photonen haben keine Masse, aber sie übertragen immer noch einen Teil ihres Dynamikes, wenn sie ein Objekt treffen und es so leicht schieben. Ein einzelnes Photon macht keinen großen Unterschied, aber Billionen und Billionen von Photonen, die eine Oberfläche treffen, summieren sich, insbesondere im Vakuum des Raums.
Die Strahlung in Form von Sonnenlicht reicht daher aus, um interplanetäre Raumschiffe Tausende von Kilometern vor dem Verlauf voranzutreiben. Dieser Effekt muss daher beim Senden von Sonden an Mars oder andere Planeten berücksichtigt werden.
Eine höherenergetische Version dieses Phänomens könnte jedoch einen boden- oder raumbasierten Laserstrahl verwenden, um ein Lichtsansatz auf ein Raumschiff auf eine gerichtere Weise zu schieben. Da der Strahl eine Quelle des konstanten Drucks auf das Segel liefert, sorgt der kumulative Effekt dieses Strahlungsdrucks zu Geschwindigkeiten, die deutlich schneller und zuverlässiger sind, als Sie mit chemischen Antrieb von komplizierten Raketen erhalten könnten.
“Das Lichtsail wird schneller als jedes frühere Raumschiff reisen, mit dem Potenzial, die interstellaren Entfernungen zu eröffnen, um die Erkundung von Raumfahrzeugen zu leiten”, sagte Harry Atwater von Caltech, der Otis Booth Leadership Chair der Abteilung für Ingenieurwesen und angewandte Wissenschaft, in einer Caltech -Erklärung.
Messung der Lichtkraft auf einem Segel
Das Team von Atwater entwickelte eine Testplattform, um zu messen, wie Laser Kraft auf ein mikroskopisches “Trampolin” von Siliziumnitrid ausüben, nur 50 Nanometer dick. Das Miniatursegel, ein quadratisches Blatt 40 Mikrometer auf jeder Seite, ist an den Ecken durch Siliziumnitridfedern gebunden und vibriert, wenn sie von einem Laser getroffen werden. Durch die Erkennung dieser winzigen Bewegungen können Forscher die Kraft des Laserstrahls und seiner Kraft berechnen.
“Es gibt zahlreiche Herausforderungen bei der Entwicklung einer Membran, die letztendlich als Lichterschichtung verwendet werden könnte. Sie muss der Wärme standhalten, ihre Form unter Druck halten und stabil entlang der Achse eines Laserstrahls reiten”, sagte Atwater. “Aber bevor wir mit dem Aufbau eines solchen Segels beginnen können, müssen wir verstehen, wie die Materialien auf Strahlungsdruck von Lasern reagieren. Wir wollten wissen, ob wir die Kraft auf einer Membran nur durch Messen ihrer Bewegungen bestimmen können. Es stellt sich heraus dürfen.”
Die Hauptautoren der Studie, Postdoktorandin Lior Michaeli und der Doktorand Ramon Gao, bauten ein spezialisiertes Setup mit dem Namen Common-Path-Interferometer. Dies ermöglicht eine genaue Messung der Bewegung der Membran, indem Hintergrundgeräusche wie kleine Schwingungen im Labor von Geräten oder sogar Menschen sprechen.
“Wir haben nicht nur die unerwünschten Heizungseffekte vermieden, sondern auch das, was wir über das Verhalten des Geräts gelernt haben, um eine neue Methode zur Messung der Kraft des Lichts zu schaffen”, sagte Michaeli. GAO fügte hinzu, dass die Plattform von der Seite zu Seite von Bewegung und Drehungen messen kann und den Weg für zukünftige Lichterschalldesigns ebnet, die sich selbst korrigieren können, wenn sie vom Laserstrahl abfliegen.
Letztendlich hofft das Team, fortschrittliche Nanomaterialien und Metamaterialien zu integrieren, um die Lichterschule während ihrer Reise zu stabilisieren. “Dies ist ein wichtiger Sprungbrett, um optische Kräfte und Drehmomente zu beobachten, die eine frei beschleunigende Leuchtenschichtung mit dem Laserstrahl fahren lassen können”, sagte Gao.
Es gibt mehrere leichte Segelprojekte in Arbeit, und die NASA hat im vergangenen Jahr ein Solarsegel eingesetzt, obwohl sie auf einige mechanische Probleme gestoßen ist und die Bedeutung der Forschung des Caltech -Teams zur weiteren Verfeinerung des Designs dieser Segel hervorgehoben hat.
Die Ergebnisse wurden am 30. Januar in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht,
