Исследователи разработали притягивающий луч для макроскопических объектов
Принцип оптической тяги заключается в перемещении объекта на расстояние. Эта концепция широко используется в научно-фантастических фильмах. Подобное существует и в реальности... но в очень небольших масштабах. Такие устройства, как оптические пинцеты, могут, например, манипулировать микроскопическими частицами с помощью лазеров. Теперь исследователи утверждают, что им удалось создать притягивающий луч, который может перемещать макроскопические объекты.
Свет содержит энергию и импульс, оба из которых могут быть использованы для различных оптических манипуляций, таких как левитация и вращение. За последние десять лет оптическая тяга микро- и нанообъектов (клеток, атомов, наночастиц и т.д.) была продемонстрирована несколько раз. Сегодня он часто используется в биологии и нанотехнологиях. Оптическая тяга макроскопического объекта, с другой стороны, гораздо сложнее в реализации, поскольку, очевидно, требует гораздо большей мощности.
Команда из Университета науки и технологии Циндао (Китай) объявила о том, что ей удалось достичь этой цели, и представила свой притягивающий луч в журнале
Притягивающий луч, разработанный Вангом и его сотрудниками, успешно перемещал композитный объект на основе графена и кремнезема (SiO2): передний слой был сделан из сшитого графена, а задний — из SiO2. Этот материал был использован на торсионном маятнике, с помощью которого исследователи смогли продемонстрировать явление лазерной тяги так, как это видно невооруженным глазом. Они также использовали гравитационный маятник для количественного измерения силы притяжения лазера; оба устройства были около пяти сантиметров в длину.
Когда объект облучается лазерным лучом, молекулы газа в задней части объекта получают больше энергии и таким образом "толкают" объект в сторону источника света. Этот эффект в сочетании с низким давлением (5 Па) среды, в которой проводился эксперимент, вызывает смещение объекта. Тяговое усилие (0,8 мкН) было значительно выше, чем давление излучения (около 0,28 нН), и может регулироваться изменением мощности лазера.
Однако следует отметить, что композитный объект был специально разработан для эксперимента и что он проводился в очень специфических лабораторных условиях (при низком атмосферном давлении).
Хотя эффективность этого притягивающего луча на Земле в настоящее время находится под вопросом, он может оказаться полезным на других планетах: "Среда разреженного газа, которую мы использовали для демонстрации метода, похожа на ту, что есть на Марсе. Поэтому в один прекрасный день она может быть пригодна для управления транспортными средствами или самолетами на Марсе", — объясняет Ванг.
Техника, которая все еще нуждается в совершенствовании
Исследователи отмечают, что многие аспекты этой методики еще предстоит усовершенствовать, прежде чем ее можно будет реально использовать. Для начала, команде необходимо заставить свой притягивающий луч работать в более широком диапазоне давлений воздуха. Кроме того, необходима теоретическая модель для точного прогнозирования тягового усилия лазера как функции различных параметров (таких, как геометрия объекта, энергия лазера и окружающая среда).
Между тем, их исследование является убедительным доказательством концепции. "Наша работа демонстрирует, что гибкое манипулирование макроскопическим объектом с помощью света возможно, если тщательно контролировать взаимодействие между светом, объектом и средой", — сказал Ванг. Исследование также подчеркнуло сложность взаимодействия лазера с веществом и тот факт, что многие явления еще далеки от полного понимания, как в макро-, так и в микромасштабах, добавил он.
Само НАСА уже рассматривало возможность использования притягивающих лучей для сбора марсианских образцов, поясняет Universe Today. Марсоход Curiosity оснащен прибором спектроскопического анализа лазерной абляции ChemCam: лазер испаряет породу, а образовавшаяся плазма анализируется дистанционно с помощью спектроскопии. Если бы притягивающий луч мог втягивать частицы реголита непосредственно в ровер, можно было бы провести гораздо более полный анализ.
Аналогичным образом, эти лучи могут быть использованы для сбора частиц из хвостов комет или из облаков в атмосфере Земли или на других планетах. Таким образом, эта концепция имеет важные последствия для освоения космоса.