Bygning af Starshot-sejlet:En Q&A med Harry Atwater

Når menneskeskabte sonder endelig når andre stjerner, de vil ikke blive drevet af raketter. I stedet, de rider måske på et knasende tyndt sejl, der bliver sprængt af en kæmpe laserstråle. Harry Atwater, Howard Hughes professor i anvendt fysik og materialevidenskab, er projektleder for Breakthrough Starshot Program, som søger at gøre disse sonderinger til virkelighed. I et nyt papir udgivet den 7. maj i Naturmaterialer , Atwater udforsker nogle af de store udfordringer, projektet vil stå over for i sit forsøg på at gøre menneskeheden til en interstellar art. Vi sad for nylig ned med ham for at tale om programmet.

Hvad er Breakthrough Starshot Program helt præcist?

Det er et tværfagligt projekt på 100 millioner dollars, der blev annonceret i 2016, rettet mod at designe et rumfartøj, der kan opsendes til planeter, der omgiver andre stjerner og nå dem inden for vores levetid. Ideen er at udvikle rumfartøjer, der er i stand til at rejse med næsten 20 procent af lysets hastighed.

Hvorfor kan det ikke lade sig gøre med konventionelle raketter?

Problemet med traditionel raketfremdrift er, at rakettens endelige hastighed er begrænset af den endelige hastighed af brændstoffet, der kastes ud af raketten. For kemiske drivmidler, den øvre grænse for sluthastigheden er alt for lav. Det hurtigste rumfartøj, der nogensinde er blevet opsendt, ville tage titusinder af år at nå den nærmeste stjerne, Alpha Centauri C. Det er klart upraktisk for enhver interstellar mission.

For at overvinde det, vi planlægger at bruge selve lyset som brændstof. Med andre ord, vi udnytter princippet om bevarelse af momentum mellem lys og materialer. Hvis jeg har en reflekterende genstand, og jeg skinner lys på den, de tilbageslyngende eller reflekterende fotoner giver momentum til objektet. Hvis objektet er let nok, at momentum kan fungere som en fremdrivende kraft, og så er den endelige hastighed af den sonde kun begrænset af selve lysets hastighed.

Hvad er din rolle i projektet?

Jeg er rådgiver for Breakthrough Starshot-programmet. Programmet har tre store tekniske udfordringer:Den første er at bygge den såkaldte fotonmotor, laseren, der er i stand til at fremdrive sejlet; det andet er at designe selve sejlet; og den tredje er at designe nyttelasten, som vil være et lille rumfartøj, der er i stand til at tage billeder og spektrale data og derefter sende dem tilbage til jorden. Min rolle er at hjælpe programmet med at definere veje til at lave et levedygtigt lyssejl, der er kompatibelt med de andre mål for hele programmet. Det bliver ikke nemt:Vi skal lave et ultralet objekt i stor skala, der er fast og dynamisk stabilt under fremdrift.

Hvilke andre udfordringer er der?

Udfordringerne, som vi behandler i vores seneste papir, er at udvikle design- og materialekravene til dette virkelig ekstreme sæt af tekniske forhold. Vi kræver noget, der ikke har en masse på mere end et gram, men som dækker et areal på omkring 10 kvadratmeter. Det betyder, at den gennemsnitlige tykkelse vil være i størrelsesordenen ti til hundrede af nanometer; meget tyndere end et menneskehår.

Dette wafertynde materiale vil blive udsat for intens laserstråling under fremdriftsfasen, med en intensitet på megawatt per kvadratmeter. Det er ikke den højeste intensitet, der nogensinde er blevet genereret i et laboratorium, men det er en meget høj intensitet at interagere med en ultratynd, gossamer-lignende membranstruktur af den slags, vi taler om her. Så det største krav er, at det skal være ultrareflekterende, så vi kan give momentum og fremdrive lyssejlet.

Er der materialer, eller familier af materialer, der ser lovende ud til dette?

Ja. De bedste materialer er dem, der er dielektriske, eller isolerende, snarere end metalliske materialer, som overfører elektriske ladninger. Et godt eksempel på et dielektrikum, som alle kender, er glas, som er meget ikke-absorberende. Desværre, glas har lidt for lav reflektionsevne til at være en effektiv kandidat til lyssejlsmateriale, men ikke desto mindre viser det vejen. De bedste materialer at tænke på er dem, der har højere reflektivitet, men tilsvarende lave absorptionskoefficienter.

Hvordan passer dette arbejde ind i dine bredere forskningsmål?

Mit forskerhold er meget interesseret i, hvordan lys interagerer med materialer i nanoskala, eller materialer, der er skulptureret eller formet på skalaen af ​​selve bølgelængden. En af de ting, der er fascinerende, er, at nanostrukturerede materialer kan være i stand til at skabe virkelig optimale afvejninger mellem masse og reflektivitet, og hjælper også med at give stabilitet til sejlet. Vi har brug for, at sejlet er rimeligt stabilt, hvilket betyder, at det ikke falder af laserstrålen, så at sige.