|
Масштабируемые световые паруса нового поколения
|
|
|
|
Исследователи из ТУ Делфт и Университета Брауна разработали масштабируемые световые паруса на основе нанотехнологий, которые могут способствовать будущим достижениям в области космических исследований и экспериментальной физики. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, знакомит с новыми материалами и методами производства для создания самых тонких крупномасштабных отражателей из когда-либо созданных.
|
|
|
|
Световые паруса - это ультратонкие отражающие конструкции, которые используют лазерное излучение для разгона космических аппаратов на высоких скоростях. В отличие от традиционных нанотехнологий, которые позволяют миниатюризировать устройства во всех измерениях, световые паруса используют другой подход. Они имеют наноразмерную толщину — примерно 1/1000 толщины человеческого волоса, — но могут быть изготовлены на листах больших размеров.
|
|
|
|
Изготовление светового паруса, предусмотренного в рамках инициативы Breakthrough Starshot, традиционно занимает 15 лет, главным образом потому, что он покрыт миллиардами наноразмерных отверстий. Используя передовые технологии, команда, в которую входит первый автор и аспирант Лукас Нордер, сократила этот процесс до одного дня.
|
|
|
|
|
|
|
"Это не просто еще один шаг к уменьшению размеров, это совершенно новый взгляд на нанотехнологии", - объясняет доктор Ричард Норте, доцент Делфтского университета. "Мы создаем устройства с высоким соотношением сторон, которые тоньше, чем все ранее разработанные, но при этом имеют размеры, сравнимые с размерами массивных конструкций". Размеры текущего прототипа составляют 60 мм х 60 мм, толщина - 200 нанометров, он покрыт миллиардами наноразмерных отверстий. Это представляет собой значительный шаг вперед в крупномасштабном производстве световых парусов.
|
|
|
|
"Другие недавние достижения в этой области, например, от Калифорнийского технологического института, продемонстрировали наномасштабный контроль над парусными конструкциями в микрометровых масштабах, в то время как наш подход позволяет масштабировать конструкции сантиметрового размера, сохраняя при этом точность изготовления на наноуровне". При увеличении размера световой парус, изготовленный Норте и его коллегами, растянулся бы на семь футбольных полей толщиной всего в миллиметр.
|
|
|
|
"Особенным этот материал делает не только высокое соотношение сторон, но и одновременное сочетание большого и наноразмерного размеров в одном материале, что делает его легким и отражающим", - говорит Норте.
|
|
|
|
Для достижения этой цели команда объединила самые современные методы оптимизации нейронной топологии с передовыми методами изготовления. "Мы разработали новый травильный материал на основе газа, который позволяет нам деликатно удалять материал из-под парусов, оставляя только парус", - объясняет Норте. "Если паруса и рвутся, то, скорее всего, во время производства. После подвешивания паруса становятся достаточно прочными. Эти технологии были разработаны в Делфтском техническом университете".
|
|
|
|
"Наша работа сочетает в себе последние достижения в области оптимизации для поиска новых способов поиска неинтуитивных конструкций", - говорит доктор Мигель Бесса из Университета Брауна. "Сочетая нейронные сети с оптимизацией топологии, мы создали конструкции, которые раздвигают границы возможного как в нанофотонике, так и в крупномасштабном производстве".
|
|
|
|
От пикометров до сантиметров и световых лет.
|
|
|
|
Предлагаемые световые паруса используют лазерное излучение для ускорения до невероятных скоростей, что позволяет совершать быстрые межпланетные путешествия. Например, зонды, приводимые в движение разработанными световыми парусами, теоретически могут достичь Марса за то время, которое требуется для доставки международной почты.
|
|
|
|
Хотя такие огромные расстояния остаются целью на будущее, недавние исследования показали, что подобные световые паруса в настоящее время можно перемещать на расстояния, равные пикометрам. Норте и его команда сейчас готовят эксперименты по перемещению новых мембранных парусов на расстояния, измеряемые в сантиметрах, против земного притяжения. "Может показаться, что это немного, но это в 10 миллиардов раз дальше, чем все, что было сделано с помощью лазеров до сих пор".
|
|
Вселенная возможностей
|
|
|
|
Помимо исследования космоса, эти материалы открывают новые возможности для экспериментальной физики. Способность ускорять массы до высоких скоростей открывает беспрецедентные возможности для изучения взаимодействия света и материи и релятивистской физики в макроскопических масштабах.
|
|
|
|
"Это исследование ставит Делфт на передний план в области наноразмерного материаловедения", - добавляет Норте. "Теперь, когда мы можем сделать эти световые паруса такими же большими, как полупроводниковые пластины, мы изучаем, что мы можем сделать с помощью современных возможностей в области нанотехнологий, лазеров и дизайна.
|
|
|
|
"В некотором смысле, я думаю, это может быть не менее захватывающим, чем полеты за пределы Солнечной системы. Что для меня примечательно, так это то, что создание этих тонких оптических материалов может пролить свет на фундаментальные вопросы, такие как: насколько быстро мы на самом деле можем ускорить объект. Нанотехнологии, стоящие за этим вопросом, несомненно, откроют новые возможности для интересных исследований".
|
|
Прорывная инициатива Starshot
|
|
|
|
В настоящее время нашим самым быстрым ракетам потребовалось бы около 10 000 лет, чтобы достичь даже ближайшей звезды за пределами Солнечной системы. Инициатива Breakthrough Starshot, объединяющая тысячи исследователей, стремится сократить этот путь всего до 20 лет.
|
|
|
|
Проект предусматривает разработку сверхлегкого космического аппарата с лазерным приводом размером с микрочип, который станет первым межзвездным исследованием человечества за пределами Солнечной системы. Проект Starshot был запущен Юрием Мильнером и Стивеном Хокингом в 2016 году.
|
|
|
|
Источник
|
