Ученые создали наноразмерный световой парус для полетов к другим звездам
Группа ученых из Университета Таскиги добилась значительного прогресса в разработке концепции световых парусов, которые в будущем смогут разогнать беспилотные зонды до скорости в 20% от скорости света. Такая технология, основанная на принципе лазерного ускорения, позволит достичь ближайшей к Земле звезды, Проксимы Центавра, всего за два десятилетия, тогда как современным химическим ракетам на это потребовались бы сотни тысяч лет. Исследователи предложили инновационную конструкцию фотонно-кристаллического паруса, которая призвана преодолеть ключевые ограничения, мешавшие реализации этой идеи ранее.
Традиционные проекты световых парусов предполагают использование полимерных пленок с металлическим покрытием. Однако такие материалы неизбежно поглощают часть энергии лазера, преобразуя её в тепло, что снижает эффективность. Попытки повысить отражательную способность путем добавления новых слоев увеличивают массу паруса, создавая замкнутый круг, напоминающий проблемы классической ракетной формулы. Ученые из Таскиги обошли это препятствие, создав парус из трехслойного диэлектрического материала с наноразмерной структурой.
Разработанная структура состоит из столбиков из германия, воздушных отверстий и полимерной матрицы. Такая комбинация материалов с разными показателями преломления формирует так называемую фотонную запрещенную зону. Она действует как высокоселективное зеркало: парус почти идеально отражает лазерное излучение на заданной длине волны (1,2 микрометра), обеспечивая около 90% отражательной способности, но при этом остается прозрачным для остального спектра солнечного излучения. Это позволяет минимизировать перегрев конструкции, не жертвуя её легкостью и эффективностью.
Для проверки своей теории команда не только провела серию компьютерных симуляций, но и создала работающий прототип мембраны. Используя электронно-лучевую литографию и вакуумное напыление, исследователям удалось изготовить структуру с германиевыми столбиками шириной 200 нанометров и воздушными отверстиями диаметром 400 нанометров в слое полимера толщиной 200 нанометров. Эксперименты подтвердили высокую точность изготовления и работоспособность концепции.
Моделирование условий космического полета показало, что парус площадью один квадратный метр под воздействием лазера мощностью 100 кВт способен разогнать зонд до скорости в несколько сотен метров в секунду всего за час. Хотя для межзвездных перелетов этого недостаточно, такие характеристики открывают перспективы для быстрых межпланетных миссий в пределах Солнечной системы. Ученые подчеркивают, что их работа является важным шагом от теории к практике и закладывает основу для создания легких, отражающих и технологичных устройств для лазерной тяги, которые в будущем смогут произвести революцию в исследовании дальнего космоса.
Результаты исследования были в Journal of Nanophotonics.