Twee studies laten zien hoe je (goed) een fotonenzeil bouwt om dit te bereiken

Als onderdeel van het Breakthrough Starshot-project hebben onderzoekers geprobeerd het ontwerp van een interstellair optisch zeil te verbeteren. Hiervoor moesten ze rekening houden met de beperkingen van fotonische stress op de romp en de mogelijkheid van breuk in het zeil. Dergelijke lichtzeilen zouden ruimtevaartuigen met 20% van de lichtsnelheid voortstuwen, snel genoeg om een ​​reis naar Alpha Centauri (de dichtstbijzijnde ster en het planetaire systeem) te maken in ongeveer 20 jaar (in plaats van enkele duizenden jaren).

Het idee om zich met een lichtgeleid zeil door de ruimte voort te stuwen is niet nieuw. Doorbraak Starshot-project Ze had al ambities om kleine (door licht aangedreven) schepen naar de dichtstbijzijnde sterren te sturen, maar om te begrijpen hoe deze modellen tijdens de reis worden onderhouden, moet verder onderzoek worden gedaan.

De keuze lijkt misschien verbazingwekkend, maar het gebruik van lichtreflecterende zeilen met behulp van een fotonenschok is misschien de enige kans om een ​​andere ster in het menselijk leven te bereiken. Dankzij materialen zo dun als enkele nanometers en een reeks krachtige lasers, kunnen de zeilen ruimtevaartuigen vervoeren (met 20% van de snelheid van het licht) naar Alpha Centauri (Alpha Centauri, het sterrenstelsel en de planeet die het dichtst bij ons staat) in ongeveer twintig jaar (in plaats van enkele duizenden jaren).

Duurzaam materiaalontwerp

” Om tijdens ons leven een andere ster te bereiken, is een relatieve snelheid nodig, d.w.z. een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt ‘, hij legt uit In een persbericht Igor Bargatin, een werktuigbouwkundig ingenieur van de Universiteit van Pennsylvania en een van de auteurs van de studies. Als onderdeel van het project werkt zijn team aan het ontwerp van de materialen, afmetingen en vorm van het zeil, om een ​​duurzame oplossing te vinden voordat het de ruimte in gaat.

Ander onderzoek veronderstelde dat de zon alle energie zou leveren die nodig is om de lichte zeilen te bewegen. Maar de intensiteit van het licht zou veel hoger moeten zijn om de relatieve snelheid te bereiken die door Bargate wordt opgewekt. Om meer licht op te vangen, kan het zeil worden vergroot, of er kan een groot aantal grondlasers op worden gericht. Maar in het eerste geval zal het gewicht van het zeil groter zijn en dus moeilijker te verplaatsen; Het verminderen van de massa van het zeil kan het minder robuust maken en meer vatbaar voor scheuren.

Twee studies gepubliceerd in het tijdschrift nano-berichten Beschrijf de basiskenmerken van de te ontwerpen zeilen, die gemaakt moeten zijn van ultradunne platen aluminiumoxide en molybdeendisulfide.

Studie één: De kromming van de parachute verkrijgen

In het eerste artikel merkten de onderzoekers op dat het licht zeilt, ” Wie is de Het wordt snel versneld tot relatieve snelheden door de laser, het moet sterk worden gebogen [et non plates comme supposé précédemment] Om de mechanische spanningen te verminderen en breuk te voorkomen “.

” De intuïtie hier is dat een heel dun zeil, of het nu op een zeilboot of in de ruimte is, meer vatbaar is voor scheuren. ‘ legt Bargattin uit. ” Het is een relatief eenvoudig concept om te begrijpen, maar we moesten een aantal zeer complexe berekeningen uitvoeren om te laten zien hoe deze materialen op deze schaal zouden presteren. “.

De tweede studie: uithoudingsvermogen van hittestress

De tweede studie werd geleid door Aaswath Raman, assistent-professor bij de afdeling Materials Science and Engineering aan de UCLA. Het geeft inzicht in hoe nanopatronen in het zeil de warmte kunnen afvoeren die wordt verspreid door een laserstraal die een miljoen keer krachtiger is dan de zon (in termen van het uitgestraalde licht, dat in het geval van de laser sterk gefocust is). Thermisch beheer is een belangrijk doel van het ontwerp van fotonenzeilen vanwege de intense laserkrachten die nodig zijn, maar wordt vaak als ondergeschikt beschouwd aan de acceleratieprestaties.

” Als de zeilen een klein deel van het invallende laserlicht absorberen, zullen ze zeer hoge temperaturen bereiken zegt Raman. Om ervoor te zorgen dat het niet alleen degradeert, moeten we het vermogen om zijn warmte uit te stralen maximaliseren, wat de enige manier van warmteoverdracht is die in de ruimte beschikbaar is. “.

De nieuw ontdekte optische eigenschappen zullen dus zorgen voor een goede balans tussen minimale absorptie en emissie van licht wanneer het wordt uitgerekt. Het zeil is bestand tegen een sterkere initiële stuwkracht, waardoor de laser minder tijd nodig heeft om op het doel te blijven.

” Een paar jaar geleden werd de realiteit van het denken of doen van theoretisch werk aan dit soort concepten als vergezocht beschouwd Professor Deep Gariwala besluit. ” Tegenwoordig hebben we niet alleen een concept, maar dit concept is gebaseerd op echte materialen die beschikbaar zijn in onze laboratoria. Ons plan voor de toekomst is om dergelijke constructies op kleine schaal te vervaardigen en te testen met een krachtige laser. “.

bronnen: nano Brieven