Nanophotonic hafif yelkenler relativistik hızlarda seyahat edebilir

Anonim

Çok uzak olmayan bir günde bir gün, hafif yelkenler, yakıtla değil, yüksek güçten gelen radyasyon basıncına göre hareket eden ışık hızının (ya da 60.000 km / sn) yaklaşık% 20'si kadar bir hızla uzaya fırlayabilirler. Dünyadaki lazerler. Bu göreceli hızlarda seyahat ederken, lazerle çalışan hafif yelkenler yaklaşık 20 yıl içinde en yakın komşu yıldızımız (Güneş dışında), Alpha Centauri veya en yakın bilinen potansiyel olarak yaşanabilir gezegen Proxima Centauri b'ye ulaşabilir. Her iki nesne de dört ışıkyılı uzaklıkta.

Hafif yelkenlerin tasarlanması, büyük bir mühendislik zorluğudur, ancak neredeyse imkansız olan çelişen özellikler gerektirir: ideal bir hafif yelken, birkaç metre genişliğinde olmalı ve yoğun radyasyon basıncına dayanacak kadar mekanik sağlam olmalıdır, ancak sadece 100 nanometre ya da çok kalın olmalıdır ve sadece birkaç gram.

Diğer gereksinimler, ışık yelkenlerinin çalıştığı mekanizmadan kaynaklanır. Maxwell'in denklemlerine göre, ışığın momentumu vardır ve sonuç olarak nesneler üzerinde baskı uygulayabilir. Ancak, hafif yelkenler, bir yelkenli rüzgâr gibi itilerek, radyasyon basıncıyla itilmez. Bunun yerine, itme, radyasyonu yansıtan ışık yelkeninden kaynaklanır. Sonuç olarak, optimal bir yelken, lazer ışınının yakın kızılötesi spektrumundaki radyasyonun çoğunu yansıtmalı ve aynı zamanda verimli radyasyon soğutması için orta kızılötesi aralıkta radyasyon yayar.

Nanophotonic yelkenleri

Nano Letters dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada, araştırmacılar Ognjen Ilic, Cora Went ve California Institute of Technology'de Pasadena'da Harry Atwater, nanophotonik yapıların, seyahat edebilen hafif yelkenler için zorlu malzeme gereksinimlerini karşılayabilecek potansiyele sahip olduğunu göstermiştir. göreceli hızlar.

Önceki hafif yelken tasarımları, ultra ince alüminyum, çeşitli polimerler ve karbon fiber gibi malzemeler kullanmıştır. Bu malzemelerin aksine, nanofotonik yapılar, ışık dalga boyu ölçeklerinde ışığı manipüle etme yeteneğine sahiptir ve bu da onlara etkili tahrik (yansıma) ve termal yönetim (emisyon) eşzamanlı gereksinimlerini karşılamada avantaj sağlar. Örnek olarak, araştırmacılar iki tabakalı silikon ve silika yığınının, her iki malzemenin birleşik özelliklerine bağlı olarak söz verdiğini gösterdi. Silisyum büyük bir kırılma indeksine sahipken, bu da verimli itme gücüne karşılık gelirken, zayıf bir soğutma kabiliyetine sahip olsa da, silika iyi bir radyasyon soğutma özelliğine sahiptir ancak daha küçük bir kırılma indisine sahiptir.

Araştırmacılar makalelerinde, düşük bir yelken kitlesine ulaşma ve yüksek bir yansıtıcılığa ulaşma arasındaki dengeyi ölçen yeni bir başarı örneği önermişlerdir. Gelecekte, bu konsept, lazer gücü ve lazer dizisinin boyutu üzerindeki kısıtlamaları en aza indirmeye yardımcı olacaktır.

Işık yelkenleri arka plan

Yaklaşık yüzyılı aşkın bir süredir kavramsallaştırılmış olsa da, sadece son birkaç yılda teknolojinin, bilim adamlarının uzay baskısını ışık baskısıyla ilerletmek için erken vizyonlarına kapılmış olması. Güneşin radyasyonunun kuyrukluyıldızın kuyruğunu ters yönde iterken, en eski konseptler güneş ışınlarından radyasyon basıncını lazerlerden ziyade güneş ışığından yararlandı.

İlk güneş yelkenleri 2010 yılında Japonya Havacılık ve Uzay Dairesi (JAXA) tarafından başlatıldı ve Venüs'ün yörüngesine altı ay içinde ulaşarak sadece güneş ışığının radyasyon basıncına dayanarak ulaştı. Artık araştırmacılar, roket hızlandırmayla rekabet edebilecek daha büyük hızlanmalara sahip güneş yelkenlerini tasarlamaya çalışıyorlar ve bu da konvansiyonel itici güçlerin milyar dolarlık maliyeti olmadan uzay aracının fırlatılmasına olanak sağlıyor.

Güneş yelkenleri roket benzeri hızlara ulaşabilse de, güneş ışığı radyasyonu yüksek güçlü bir lazer dizisine kıyasla nispeten zayıftır. Sonuç olarak, bir lazer dizisi göreceli hızlara kadar çok daha hızlı itme potansiyeli sunmaktadır - ancak bu tür lazerle çalışan yelkenler ortaya çıkmadan önce daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulmaktadır.

menu
menu