Міжзоряний сонячний вітрильник став ближче до реалізації

Вчені з Каліфорнійського технологічного інституту розповіли, як просувається робота над створенням апарата з космічним вітрилом, який має вирушити в подорож до сусідньої зорі.

Міжзоряне вітрило
Міжзоряне вітрило. Джерело: phys.org

Фантастична ідея

Ідея подорожувати міжзоряним простором за допомогою космічних кораблів, що рухаються за допомогою надтонких вітрил, може здатися чимось із розряду фантастичних романів. Але насправді програма, започаткована у 2016 році Стівеном Гокінгом та Юрієм Мільнером, відома як Breakthrough Starshot Initiative, досліджує цю ідею.

Концепція полягає у використанні лазерів для приведення в рух мініатюрних космічних зондів, прикріплених до «світлових вітрил», щоб досягти великих швидкостей і, зрештою, нашої найближчої зоряної системи — Альфа Центавра. Каліфорнійський технологічний інститут очолює світову спільноту, яка працює над досягненням цієї сміливої мети.

«Світловий парус буде рухатися швидше, ніж будь-який попередній космічний корабель, з потенціалом відкрити міжзоряні відстані для прямого космічного дослідження, які зараз доступні лише за допомогою дистанційного спостереження», — пояснює Гаррі Етуотер, завідувач кафедри інженерії та прикладних наук імені Отіса Бута і професор прикладної фізики та матеріалознавства імені Говарда Г’юза Каліфорнійського технологічного інституту (Калтех).

Тепер Етуотер і його колеги з Каліфорнійського технологічного інституту розробили платформу для визначення характеристик ультратонких мембран, які одного дня можуть бути використані для виготовлення цих світлових вітрил. Їхня тестова платформа включає спосіб вимірювання сили, яку лазери чинять на вітрила і яка буде використовуватися для відправлення космічного апарата в космос. Експерименти команди є першим кроком у переході від теоретичних пропозицій та дизайну світлових вітрил до фактичних спостережень та вимірювань ключових концепцій та потенційних матеріалів.

Експерименти з мембранами

Мета роботи — охарактеризувати поведінку вільно рухомого світлового вітрила. Щоб почати вивчати матеріали та рушійні сили в лабораторії, команда створила мініатюрний світловий парус, який прив’язаний по кутах до більшої мембрани.

Дослідники використовували обладнання Інституту нанонауки Кавлі в Каліфорнійському технологічному інституті й техніку під назвою «електронно-променева літографія», щоб ретельно виготовити мембрану з нітриду кремнію завтовшки всього 50 нанометрів, створивши щось схоже на мікроскопічний батут.

Мінібатут являв собою квадрат завширшки 40 мікрон, підвішений по кутах за допомогою пружин з нітриду кремнію. Саме по цій мембрані команда вдарила світлом аргонового лазера з видимою довжиною хвилі. Мета полягала в тому, щоб виміряти радіаційний тиск, якого зазнавав мініатюрний світловий парус, вимірюючи рухи батута, коли він рухався вгору і вниз.

«Але картина з точки зору фізики змінюється, коли вітрило прив’язане, каже співавтор дослідження Міхаелі — У цьому випадку динаміка стає досить складною».

Мінівітрило

Парус діє як механічний резонатор, вібруючи, як батут, коли на нього потрапляє світло. Ключовий виклик полягає в тому, що ці коливання в основному зумовлені теплом від лазерного променя, яке може маскувати прямий ефект тиску випромінювання. Міхаелі каже, що команда перетворила цей виклик на перевагу, зазначаючи: «Ми не лише уникнули небажаних ефектів нагрівання, а й використали те, що дізналися про поведінку пристрою, щоб створити новий спосіб вимірювання сили світла».

Новий метод дозволяє пристрою додатково діяти як вимірювач потужності, вимірюючи силу та потужність лазерного променя.

«Пристрій являє собою невеликий світловий парус, але значна частина нашої роботи полягала в розробці та реалізації схеми для точного вимірювання руху, викликаного оптичними силами далекого радіусу дії», — говорить співавтор дослідження Гао (Gao).

Інтерферометр спільного пробігу

Для цього команда побудувала так званий інтерферометр спільного пробігу. Загалом рух можна виявити за допомогою інтерференції двох лазерних променів, коли один із них потрапляє на вібруючий зразок, а інший відстежує його нерухоме положення.

Однак в інтерферометрі спільного проходження, оскільки обидва промені пройшли майже однаковий шлях, вони стикаються з однаковими джерелами шуму навколишнього середовища, такими як обладнання, що працює поблизу, або навіть люди, які розмовляють, і ці сигнали усуваються. Залишається лише дуже малий сигнал від руху зразка.

Інженери інтегрували інтерферометр у мікроскоп, який вони використовували для вивчення мініатюрного вітрила, і розмістили пристрій у спеціально виготовленій вакуумній камері. Після цього вони змогли виміряти рухи вітрила з точністю до пікометрів (трильйонних часток метра), а також його механічну жорсткість — тобто, наскільки сильно деформувалися пружини, коли вітрило штовхалося під тиском лазерного випромінювання.

Пускання променів під кутом

Оскільки дослідники знають, що світлове вітрило в космосі не завжди залишається перпендикулярним до джерела лазера на Землі, вони змінили кут лазерного променя, щоб імітувати це, і знову виміряли силу, з якою лазер штовхав мінівітрило.

Важливо, що дослідники врахували, що лазерний промінь поширюється під кутом і тому в деяких місцях не потрапляє на зразок, відкалібрувавши свої результати за потужністю лазера, виміряною самим приладом. Проте сила за цих обставин була нижчою, ніж очікувалося. У статті дослідники припускають, що частина променя, спрямованого під кутом, потрапляє на край вітрила, внаслідок чого частина світла розсіюється і спрямовується в інших напрямках.

У майбутньому команда сподівається використати нанонауку і метаматеріали — матеріали, ретельно розроблені в такому крихітному масштабі, щоб мати бажані властивості, — щоб допомогти контролювати рух з боку в бік і обертання мініатюрного світлового вітрила.

За матеріалами phys.org

Новини інших медіа