Sådan designer du et sejl, der ikke river eller smelter på en interstellar rejse

Astronomer har ventet i årtier på opsendelsen af ​​James Webb-rumteleskopet, som lover at kigge længere ud i rummet end nogensinde før. Men hvis mennesker rent faktisk ønsker at nå vores nærmeste stjernenabo, bliver de nødt til at vente en del længere:en sonde sendt til Alpha Centauri med en raket ville bruge omkring 80.000 år for at klare turen.

Igor Bargatin, lektor ved Institut for Mekanik og Anvendt Mekanik, forsøger at løse dette futuristiske problem med ideer hentet fra en af ​​menneskehedens ældste transportteknologier:sejlet.

Som en del af Breakthrough Starshot Initiative designer han og hans kolleger størrelse, form og materialer til et sejl, der ikke skubbes af vind, men af ​​lys.

Ved at bruge nanoskopisk tynde materialer og en række kraftige lasere kunne et sådant sejl bære en sonde på størrelse med en mikrochip med en femtedel af lysets hastighed, hurtig nok til at tage turen til Alpha Centauri om cirka 20 år i stedet for årtusinder.

"At nå en anden stjerne inden for vores levetid vil kræve relativistisk hastighed eller noget, der nærmer sig lysets hastighed," siger Bargatin. "Idéen om et let sejl har eksisteret i nogen tid, men vi er lige nu ved at finde ud af, hvordan vi sikrer, at disse designs overlever turen."

Meget af den tidligere forskning på området har antaget, at solen passivt ville levere al den energi, som lette sejl skulle bruge for at komme i bevægelse. Men Starshots plan for at få sejlene til relativistiske hastigheder kræver en meget mere fokuseret energikilde. Når sejlet er i kredsløb, vil en massiv række jordbaserede lasere træne deres stråler på det, hvilket giver en lysintensitet millioner af gange større end solens.

I betragtning af at lasernes mål ville være en tre meter bred struktur, der er tusind gange tyndere end et ark papir, er det en stor designudfordring at finde ud af, hvordan man forhindrer sejlet i at rive eller smelte.

Bargatin, Deep Jariwala, adjunkt i afdelingen for elektrisk og systemteknik, og Aaswath Raman, adjunkt i afdelingen for materialevidenskab og teknik ved UCLA Samueli School of Engineering, har nu udgivet et par artikler i tidsskriftet Nanobogstaver der skitserer nogle af disse grundlæggende specifikationer.

Et papir, ledet af Bargatin, viser, at Starshots lette sejl – der foreslås bygget af ultratynde plader af aluminiumoxid og molybdændisulfid – vil skulle bølge som en faldskærm i stedet for at forblive flade, som meget af den tidligere forskning antog.

"Intuitionen her er, at et meget stramt sejl, uanset om det er på en sejlbåd eller i rummet, er meget mere udsat for tårer," siger Bargatin. "Det er et relativt nemt koncept at forstå, men vi var nødt til at lave noget meget kompleks matematik for faktisk at vise, hvordan disse materialer ville opføre sig i denne skala."

I stedet for et fladt lag foreslår Bargatin og hans kolleger, at en buet struktur, nogenlunde lige så dyb som den er bred, ville være mest i stand til at modstå belastningen fra sejlets hyperacceleration, et træk tusindvis af gange større end Jordens tyngdekraft.

"Laserfotoner vil fylde sejlet meget ligesom luft puster en badebold op," siger Matthew Campbell, en postdoktor i Bargatins gruppe og hovedforfatter på det første papir. "Og vi ved, at lette, tryksatte beholdere skal være kugleformede eller cylindriske for at undgå rifter og revner. Tænk på propantanke eller endda brændstoftanke på raketter."

Det andet papir, ledet af Raman, giver indsigt i, hvordan mønstre i nanoskala i sejlet mest effektivt kan sprede den varme, der kommer sammen med en laserstråle, der er en million gange stærkere end solen.

"Hvis sejlene absorberer selv en lille brøkdel af det indfaldende laserlys, vil de varme op til meget høje temperaturer," forklarede 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. + Udforsk yderligere

Issues still to be addressed for Breakthrough Starshot project