Nanofotoniske lette sejl kan rejse med relativistiske hastigheder

En dag i en ikke så fjern fremtid, lette sejl kan suse gennem rummet med hastigheder på omkring 20 % af lysets hastighed (eller 60, 000 km/sek.), drevet ikke af brændstof, men snarere af strålingstrykket fra højeffektlasere på Jorden. At rejse med disse relativistiske hastigheder, laserdrevne lyssejl kunne nå vores nærmeste nabostjerne (bortset fra Solen), Alpha Centauri, eller den nærmeste kendte potentielt beboelige planet, Proxima Centauri b, om cirka 20 år. Begge objekter er lidt mere end fire lysår væk.

At designe lette sejl er en stor ingeniørudfordring, imidlertid, kræver modstridende funktioner, der lyder næsten umulige:et ideelt let sejl skal være flere meter bredt og mekanisk robust nok til at modstå intenst strålingstryk, dog kun være 100 nanometer eller deromkring tyk og veje kun et par gram.

Yderligere krav opstår fra den mekanisme, hvormed lette sejl fungerer. Ifølge Maxwells ligninger, lys har momentum og kan som følge heraf udøve pres på genstande. Imidlertid, lette sejl skubbes ikke blot af strålingstryk, som en sejlbåd skubbes af vinden. I stedet, skubningen skyldes, at det lette sejl reflekterer strålingen. Som resultat, et optimalt sejl skal reflektere størstedelen af ​​strålingen i laserstrålens nær-infrarøde spektrum, samtidig med at den udsender stråling i det mellem-infrarøde område for effektiv strålingskøling.

Nanofotoniske sejl

I en ny undersøgelse offentliggjort i Nano bogstaver , forskere Ognjen Ilic, Cora gik, og Harry Atwater ved California Institute of Technology, Pasadena, har vist, at nanofotoniske strukturer kan have potentiale til at opfylde de strenge materialekrav til lyssejl, der kan rejse med relativistiske hastigheder.

Tidligere design af lette sejl har brugt materialer som ultratyndt aluminium, forskellige polymerer, og kulfiber. I modsætning til disse materialer, nanofotoniske strukturer har evnen til at manipulere lys ved subbølgelængdeskalaer, giver dem en fordel i forhold til at imødekomme de samtidige krav om effektiv fremdrift (refleksion) og termisk styring (emission). Som et eksempel, forskerne viste, at en to-lags stabel af silicium og silica er lovende på grund af begge materialers kombinerede egenskaber. Mens silicium har et stort brydningsindeks - hvilket svarer til effektiv fremdrift - men en dårlig køleevne, silica har gode strålingskølende egenskaber, men et mindre brydningsindeks.

I deres papir, forskerne foreslog også et nyt merittal, der måler afvejningen mellem at opnå en lav sejlmasse og en høj refleksionsevne. I fremtiden, dette koncept vil hjælpe med at minimere begrænsninger på lasereffekten og størrelsen af ​​laserarrayet.

Baggrund på lette sejl

Selvom konceptualiseret i næsten et århundrede, kun i de sidste par årtier har teknologien indhentet videnskabsmænds tidlige visioner om at drive et rumfartøj med lysets tryk. Inspireret af den måde, solens stråling skubber en komets hale i den modsatte retning, de tidligste begreber var solsejl, der bruger strålingstrykket fra sollys i stedet for fra lasere.

Det første solsejl blev opsendt i 2010 af Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) og nåede med succes kredsløbet om Venus på seks måneder, kun drevet af strålingstrykket fra sollys. Nu arbejder forskere på at designe solsejl, der er i stand til større accelerationer, der er konkurrencedygtige med raketacceleration, tilbyder mulighed for at opsende rumfartøjer uden milliardomkostninger ved konventionelle drivmidler.

Selvom solsejl kan opnå raketlignende hastigheder, sollysstråling er relativt svag i forhold til et laserprogram med høj effekt. Som resultat, et laserarray giver mulighed for meget hurtigere fremdrift, op til relativistiske hastigheder - men der skal mere arbejde til, før sådanne laserdrevne sejl demonstreres.

© 2018 Phys.org