Ученые из Калифорнийского технологического института рассказали, как продвигается работа над созданием аппарата с космическим парусом, который должен отправиться в путешествие к соседней звезде.
Фантастическая идея
Идея путешествовать по межзвездному пространству с помощью космических кораблей, движущихся с помощью сверхтонких парусов, может показаться чем-то из разряда фантастических романов. Но на самом деле программа, основанная в 2016 году Стивеном Хокингом и Юрием Мильнером, известная как Breakthrough Starshot Initiative, исследует эту идею.
Концепция заключается в использовании лазеров для приведения в движение миниатюрных космических зондов, прикрепленных к «световым парусам», чтобы достичь больших скоростей и, наконец, нашей ближайшей звездной системы — Альфа Центавра. Калифорнийский технологический институт возглавляет мировое сообщество, которое работает над достижением этой смелой цели.
«Световой парус будет двигаться быстрее, чем любой предыдущий космический корабль, с потенциалом открыть межзвездные расстояния для прямого космического исследования, которые сейчас доступны только с помощью дистанционного наблюдения», — объясняет Гарри Этуотер, заведующий кафедрой инженерии и прикладных наук имени Отиса Бута и профессор прикладной физики и материаловедения имени Говарда Хьюза Калифорнийского технологического института (Калтех).
Теперь Этуотер и его коллеги из Калифорнийского технологического института разработали платформу для определения характеристик ультратонких мембран, которые однажды могут быть использованы для изготовления этих световых парусов. Их тестовая платформа включает способ измерения силы, которую лазеры оказывают на паруса, и которая будет использоваться для отправки космического аппарата в космос. Эксперименты команды являются первым шагом в переходе от теоретических предложений и дизайна световых парусов к фактическим наблюдениям и измерениям ключевых концепций и потенциальных материалов.
Эксперименты с мембранами
Цель работы — охарактеризовать поведение свободно движущегося светового паруса. Чтобы начать изучать материалы и движущие силы в лаборатории, команда создала миниатюрный световой парус, который привязан по углам к большей мембране.
Исследователи использовали оборудование Института нанонауки Кавли в Калифорнийском технологическом институте и технику под названием «электронно-лучевая литография», чтобы тщательно изготовить мембрану из нитрида кремния толщиной всего 50 нанометров, создав нечто похожее на микроскопический батут.
Мини-батут, квадрат шириной 40 микрон, подвешен по углам с помощью пружин из нитрида кремния. Затем команда ударила по мембране светом аргонового лазера с видимой длиной волны. Цель заключалась в том, чтобы измерить радиационное давление, которому подвергался миниатюрный световой парус, измеряя движения батута, когда он двигался вверх и вниз.
«Но картина с точки зрения физики меняется, когда парус привязан, говорит соавтор исследования Михаэли. — В этом случае динамика становится довольно сложной».
Мини-парус
Парус действует как механический резонатор, вибрируя, как батут, когда на него попадает свет. Ключевой вызов заключается в том, что эти колебания в основном обусловлены теплом от лазерного луча, которое может маскировать прямой эффект давления излучения. Михаэли говорит, что команда превратила этот вызов в преимущество, отмечая: «Мы не только избежали нежелательных эффектов нагрева, но и использовали то, что узнали о поведении устройства, чтобы создать новый способ измерения силы света».
Новый метод позволяет устройству дополнительно действовать как измеритель мощности, измеряя силу и мощность лазерного луча.
«Устройство представляет собой небольшой световой парус, но значительная часть нашей работы заключалась в разработке и реализации схемы для точного измерения движения, вызванного оптическими силами дальнего радиуса действия», — говорит соавтор исследования Гао (Gao).
Интерферометр совместного пробега
Для этого команда построила так называемый интерферометр совместного пробега. В общем, движение можно обнаружить с помощью интерференции двух лазерных лучей, когда один из них попадает на вибрирующий образец, а другой отслеживает его неподвижное положение.
Однако в интерферометре совместного прохождения, поскольку оба луча прошли почти одинаковый путь, они сталкиваются с одинаковыми источниками шума окружающей среды, такими как оборудование, работающее поблизости, или даже разговаривающие люди, и эти сигналы устраняются. Остается только очень малый сигнал от движения образца.
Инженеры интегрировали интерферометр в микроскоп, который они использовали для изучения миниатюрного паруса, и разместили устройство в специально изготовленной вакуумной камере. После этого они смогли измерить движения паруса с точностью до пикометров (триллионных долей метра), а также его механическую жесткость — то есть, насколько сильно деформировались пружины, когда парус толкался под давлением лазерного излучения.
Пускание лучей под углом
Поскольку исследователи знают, что световой парус в космосе не всегда остается перпендикулярным к источнику лазера на Земле, они изменили угол лазерного луча, чтобы имитировать это, и снова измерили силу, с которой лазер толкал мини-парус.
Важно, что исследователи учли, что лазерный луч распространяется под углом и поэтому в некоторых местах не попадает на образец, откалибровав свои результаты по мощности лазера, измеренной самим прибором. Однако сила при этих обстоятельствах была ниже, чем ожидалось. В статье исследователи предполагают, что часть луча, направленного под углом, попадает на край паруса, в результате чего часть света рассеивается и направляется в других направлениях.
В будущем команда надеется использовать нанонауку и метаматериалы — материалы, тщательно разработанные в таком крошечном масштабе, чтобы иметь желаемые свойства, — чтобы помочь контролировать движение из стороны в сторону и вращение миниатюрного светового паруса.
По материалам phys.org
