Nanophotonische Lichtsegel können sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen

Anonim

Eines Tages in nicht allzu ferner Zukunft können leichte Segel mit Geschwindigkeiten von etwa 20% der Lichtgeschwindigkeit (oder 60.000 km / sec) durch den Weltraum rasen, angetrieben nicht durch Treibstoff, sondern durch den Strahlungsdruck von hoher Leistung Laser auf der Erde. Bei dieser relativistischen Geschwindigkeit könnten laserbetriebene Leichtsegel in etwa 20 Jahren unseren nächsten Nachbarstern (außer der Sonne), Alpha Centauri, oder den nächstgelegenen bekannten potenziell bewohnbaren Planeten, Proxima Centauri b, erreichen. Beide Objekte sind etwas mehr als vier Lichtjahre entfernt.

Das Konstruieren von Lichtsegeln ist jedoch eine große technische Herausforderung, die widersprüchliche Eigenschaften erfordert, die nahezu unmöglich klingen: ein ideales Lichtsegel sollte einige Meter breit und mechanisch robust genug sein, um einem starken Strahlungsdruck standzuhalten, aber nur 100 Nanometer oder so dick sein und nur ein Gewicht wiegen einige Gramm.

Weitere Anforderungen ergeben sich aus dem Mechanismus, mit dem leichte Segel arbeiten. Nach den Maxwellschen Gleichungen hat das Licht ein Moment und kann dadurch Druck auf Objekte ausüben. Leichte Segel werden jedoch nicht einfach durch Strahlungsdruck wie ein Segelboot durch den Wind geschoben. Stattdessen resultiert der Stoß vom Lichtsegel, das die Strahlung reflektiert. Als Ergebnis sollte ein optimales Segel den Großteil der Strahlung im nahen Infrarotspektrum des Laserstrahls reflektieren, während gleichzeitig Strahlung im mittleren Infrarotbereich für eine effiziente Strahlungskühlung emittiert wird.

Nanophotonische Segel

In einer neuen Studie, die in Nano Letters veröffentlicht wurde, haben die Forscher Ognjen Ilic, Cora Went und Harry Atwater am California Institute of Technology in Pasadena gezeigt, dass nanophotonische Strukturen das Potenzial haben, die strengen Materialanforderungen für leichte Segel zu erfüllen relativistische Geschwindigkeiten.

Frühere Leichtsegelkonstruktionen verwendeten Materialien wie ultradünnes Aluminium, verschiedene Polymere und Kohlenstofffasern. Im Gegensatz zu diesen Materialien haben nanophotonische Strukturen die Fähigkeit, Licht auf Subwellenlängenskalen zu manipulieren, was ihnen einen Vorteil bei der Bewältigung der gleichzeitigen Erfordernisse von effizientem Antrieb (Reflexion) und Wärmemanagement (Emission) verleiht. Als Beispiel haben die Forscher gezeigt, dass ein zweischichtiger Stapel aus Silizium und Siliziumdioxid aufgrund der kombinierten Eigenschaften beider Materialien vielversprechend ist. Während Silizium einen großen Brechungsindex aufweist - was einem effizienten Vortrieb entspricht -, aber eine schlechte Kühlfähigkeit, hat Siliziumdioxid gute Strahlungskühleigenschaften, aber einen kleineren Brechungsindex.

In ihrer Arbeit schlugen die Forscher auch eine neue Gütezahl vor, die den Kompromiss zwischen der Erzielung einer geringen Segelmasse und einer hohen Reflektivität misst. In der Zukunft wird dieses Konzept dazu beitragen, Einschränkungen hinsichtlich der Laserleistung und der Größe des Laser-Arrays zu minimieren.

Hintergrund auf hellen Segeln

Obwohl sie fast ein Jahrhundert lang konzeptualisiert wurde, hat die Technologie die frühen Visionen der Wissenschaftler, ein Raumfahrzeug mit dem Lichtdruck zu befördern, erst in den letzten Jahrzehnten aufgegriffen. Inspiriert durch die Art und Weise, wie die Strahlung der Sonne den Schwanz eines Kometen in die entgegengesetzte Richtung schiebt, waren die frühesten Konzepte von Sonnensegeln, die den Strahlungsdruck von Sonnenlicht statt von Lasern nutzen.

Das erste Sonnensegel wurde 2010 von der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) gestartet und erreichte innerhalb von sechs Monaten erfolgreich die Umlaufbahn der Venus, angetrieben nur durch den Strahlungsdruck des Sonnenlichts. Jetzt arbeiten die Forscher daran, Sonnensegel zu entwerfen, die zu größeren Beschleunigungen fähig sind, die mit der Raketenbeschleunigung konkurrieren können, was die Möglichkeit bietet, Raumschiffe ohne die milliardenschweren Kosten herkömmlicher Treibstoffe zu starten.

Obwohl Sonnensegel Raketengeschwindigkeiten erreichen können, ist die Sonnenstrahlung im Vergleich zu einer Hochleistungslaseranordnung relativ schwach. Infolgedessen bietet ein Laser-Array das Potenzial für einen viel schnelleren Antrieb bis zu relativistischen Geschwindigkeiten - aber es wird mehr Arbeit benötigt, bevor solche laserbetriebenen Segel demonstriert werden.

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