Nanofotoonilised kerge purjed võivad liikuda relativistlikel kiirustel

Anonim

Ühel päeval mitte nii kauges tulevikus võivad väikesed purjed läbi kosmose kiirata umbes 20% kiiruse (või 60 000 km / sek) kiirusest, mitte kütusest, vaid suure võimsusega laserid Maa peal. Selliste relativistlikel kiirustel liikudes saavad laseriga purjetavad purjed ligikaudu 20 aasta jooksul jõuda meie lähiümbruseni (va Päike), Alpha Centauris või lähima teadaolevalt potentsiaalselt elamiskõlblikule planeedile Proxima Centauri b. Mõlemad objektid on veidi rohkem kui neli valget aastat.

Kerge purjede kujundamine on suur tehniline väljakutse, kuid see nõuab peaaegu võimatuid vastuolulisi funktsioone: ideaalne kerge purje peaks olema mitu meetrit lai ja piisavalt mehaaniliselt tugev, et taluda intensiivset kiirgusrõhku, kuid see on vaid 100 nanomeetrit paks ja kaalub lihtsalt paar grammi.

Täiendavad nõuded tulenevad kergete purjede töökorraldusest. Vastavalt Maxwelli võrranditele on valgusel hoog ja seetõttu võib see avaldada survet objektidele. Kuid kerge purje ei ole lihtsalt surutud kiirgusrõhk nagu purjekas on surutud tuul. Selle asemel hakkab kiirgust peegeldav kerge puri tulema. Selle tulemusena peaks optimaalne purje peegeldama enamikku laserkiire lähima infrapunaspektri kiirgust, samal ajal kiirguse tõhusa kiirguse jahutamise ajal kiirgust infrapuna keskel.

Nanofotoonilised purjed

Uues uuringus, mis on avaldatud Nano Lettersis, on teadlased Ognjen Ilic, Cora Went ja Harry Atwater, California Tehnoloogiainstituudis Pasadenas, näidanud, et nanofotoonsetel struktuuridel võib olla potentsiaal vastata rangetele materjalinõuetele, relativistlikud kiirused.

Varasemad kerge purjede kujundused on kasutanud selliseid materjale nagu ultrathin alumiinium, mitmesugused polümeerid ja süsinikkiud. Erinevalt nendest materjalidest on nanofootilistel struktuuridel võime manipuleerida valgustundlikkusega subwavelengths skaaladel, andes neile eelise üheaegselt tõhusa jõu (peegelduse) ja termohalduse (heide) nõuetega. Näiteks näitasid teadlased, et räni- ja ränidioksiidi kahekihiline kile kujutab endast mõlema materjali kombineeritud omaduste tõttu lubadust. Kui ränisel on suur murdumisnäitaja - mis vastab tõhusale käitursüsteemile - kuid halva jahutusvõimega, on ränidioksiidil head jahutusomadused, kuid väiksem murdumisnäitaja.

Uuringus pakkusid teadlased välja ka uue väärtuse, mis mõõdab kompromissi madala purje massi saavutamise ja suure peegeldusvõime vahel. Tulevikus aitab see kontseptsioon minimeerida laseri jõu piiranguid ja laserimassiivi suurust.

Kerge purjede taust

Kuigi peaaegu sajandini kujundatud, on ainult viimastel aastakümnetel tehnoloogia, mis on haaratud teadlaste varajastele nägemistele, mis toovad valguse survega kosmosesõidukit. Sellest, et päikese kiirgus surub komeedi saba vastassuunas, inspireerisid esimesed kontseptsioonid päikesepatareid, mis kasutavad pigem päikesevalguse kiirgurvet kui laserit.

2010. aastal käivitas Jaapani kosmoseuuringute agentuuri (JAXA) esimene päikesepaar, mis jõudis edukalt Venuudi orbiidile kuue kuu jooksul ja oli võimeline töötama ainult päikesevalguse kiirguriskiga. Nüüd töötavad teadlased raketi kiirendusega konkureerivate kiiremat kiirendamist võimaldavate päikesepatjade projekteerimisel, pakkudes võimalust käivitada kosmoseaparaadid, millel ei ole tavapäraste raketikütuste miljard dollarit.

Kuigi päikesepaelad võivad saavutada raketi-sarnaseid kiirusi, on päikesevalguse kiirgus suhteliselt nõrk võrreldes suure võimsusega laserimassiiviga. Selle tulemusena pakub laserkiirguse mass palju kiiremini jõudvat jõudu kuni relatiivsete kiiruste suunas, kuid enne selliste lasermoodulitega purjede demonstreerimist on vaja rohkem tööd teha.

menu
menu