Nanofotonski svetlobni jadri lahko potujejo z relativističnimi hitrostmi

Anonim

Nekega dne v ne tako daljni prihodnosti lahko svetla jadra prenaša v vesolje s hitrostjo okoli 20% hitrosti svetlobe (ali 60.000 km / s), ki se ne poganja z gorivom, temveč s tlakom sevanja z močjo laserji na Zemlji. Potovanje po teh relativističnih hitrostih bi lahko laserska svetlobna jadra v približno 20 letih dosegla našo najbližjo sosednjo zvezdo (razen Sonca), Alpha Centauri ali najbližje znanega potencialno bivalnega planeta Proxima Centauri b. Oba objekta sta oddaljena več kot štiri svetlobnih let.

Oblikovanje svetlobnih jader je velik inženirski izziv, vendar zahteva konfliktne značilnosti, ki zveni skoraj nemogoče: idealno svetlobno jadro mora biti široko nekaj metrov in mehansko dovolj robustno, da prenese intenziven sevalni tlak, vendar le 100 nanometrov ali tako debelo in tehta le nekaj gramov.

Nadaljnje zahteve izhajajo iz mehanizma, s katerim deluje lahka jadra. Glede na Maxwellove enačbe ima svetloba impulz, kar lahko povzroči pritisk na predmete. Vendar pa svetlobna jadra s pritiski sevanja ne pritisnejo, kot je jadrnica potiska veter. Namesto tega potisne rezultate iz svetlobnega jadra, ki odražajo obsevanje. Zato mora optimalna jadra odražati večino sevanja v bližnjem infrardečem spektru laserskega snopa, hkrati pa oddajajo sevanja v srednjem infrardečem območju za učinkovito radiacijsko hlajenje.

Nanofotonska jadra

V novi študiji, objavljeni v Nano Letters, so raziskovalci Ognjen Ilić, Cora Went in Harry Atwater na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu v Pasadeni pokazali, da lahko nanofotonske strukture izpolnjujejo stroge materialne zahteve za svetlobna jadra, ki lahko potujejo na relativistične hitrosti.

Predhodne svetlobne jadrnice so uporabile materiale, kot so ultratirni aluminij, razni polimeri in ogljikova vlakna. Za razliko od teh materialov, nanofotonične strukture imajo sposobnost manipuliranja svetlobe na lestvicah s podzemno svetlobo, kar jim daje prednost pri sočasni zahtevi učinkovitega pogona (refleksije) in toplotnega upravljanja (emisije). Kot primer, so raziskovalci pokazali, da dvoslojni kup silicija in silicijevega oksida kaže obojestransko obojestransko uporabnost obeh materialov. Medtem ko silikon ima velik refrakcijski indeks, ki ustreza učinkovitemu pogonu, toda slaba sposobnost hlajenja ima kremenčeva dobra radiativna hladilna lastnost, vendar manjši refrakcijski indeks.

V svojem članku so raziskovalci predlagali novo vrednost zaslug, ki meri kompromis med doseganjem nizke mase jader in visoko odbojnostjo. V prihodnosti bo ta koncept pripomogel k zmanjšanju omejitev laserske moči in velikosti laserske matrike.

Ozadje svetlobnih jader

Čeprav je konceptualiziran že skoraj stoletje, je le v zadnjih nekaj desetletjih prišlo do tehnologije, ki je bila ujeta v zgodnjih pogledih znanstvenikov o poganjanju vesoljskih plovil s tlakom svetlobe. V navdihu s tem, da Sončno sevanje potiska rep repa v nasprotni smeri, so bili najzgodnejši pojmi solarne jadrnice, ki uporabljajo sevanje zaradi sončne svetlobe in ne laserja.

Prvo sončno jadro je leta 2010 začela Japonska agencija za raziskovanje vesoljskih plovil (JAXA) in je v šestih mesecih uspešno dosegla orbito Venus, ki jo poganja le sevanje sončnega sevanja. Zdaj se raziskovalci ukvarjajo s projektiranjem sončnih jader, ki lahko pospešijo pospeševanje raket, kar omogoča možnost spuščanja vesoljskih plovil brez stroškov v milijardah dolarjev konvencionalnih pogonskih goriv.

Čeprav sončna jadra lahko doseže raketno hitrost, je sončno svetlobo sorazmerno šibko v primerjavi z močno lasersko array. Rezultat tega je, da laserska array ponuja potencial za veliko hitrejši pogon, do relativističnih hitrosti, vendar je potrebno še več dela, preden se dokažejo laserska pogonska jadra.

menu
menu