Nanofotoninės šviesos burės gali važiuoti relativistiniu greičiu

Anonim

Vieną dieną netolimoje ateityje šviesos burės gali skleisti erdvę maždaug 20% ​​greičio (arba 60 000 km / s) greičiui, kuris varomas ne degalais, o greičio spinduliuote iš didelio galingumo lazeriai Žemėje. Šiais reliatyviaisiais gretimais, maždaug 20 metų lazeriu varomos šviesos burės gali pasiekti mūsų artimiausią artimiausią kaimyninę žvaigždę (išskyrus Saulę), Alpha Centauri ar artimiausią žinomą potencialiai gyvenamą planetą Proxima Centauri b. Abu objektai yra šiek tiek daugiau nei keturi šviesmečiai.

Šviesių burių kūrimas yra svarbus inžinerijos iššūkis, tačiau jam reikia beveik neįmanomų prieštaringų funkcijų: idealus šviesos burlaivis turėtų būti kelis metrus pločio ir pakankamai mechaniškai tvirtas, kad galėtų atlaikyti intensyvų spinduliuotąjį slėgį, tačiau jis turi būti tik 100 nanometrų arba toks storas ir pasverti tik vieną keletą gramų.

Kiti reikalavimai kyla iš mechanizmo, kuriuo veikia šviesos burės. Pagal Maxwello lygtis, šviesa turi impulsą ir dėl to gali daryti spaudimą objektams. Tačiau šviesos burės nėra tiesiog stumia spinduliuotės slėgis, kaip vėjas puola burlaivį. Vietoje to, sprogimas atsiranda dėl šviesos burių, atspindinčių spinduliavimą. Todėl optimalus burės turi atspindėti didžiąją radiacijos dalį, esančią šalia-infraraudonųjų spindulių lazerio spindulyje, tuo pačiu metu spinduliuojant viduriniuose infraraudonųjų spindulių plote, kad būtų veiksmingas radiacinis aušinimas.

Nanofotoninės burės

Naujame tyrime, paskelbtame " Nano Letters", mokslininkai Ognjen Ilic, Cora Went ir Harry Atwater Kalifornijos technologijos institute, Pasadenoje, parodė, kad nanofotoninės konstrukcijos gali atitikti griežtus medžiagų reikalavimus, taikomus lengviems burėms, galinčioms keliauti reliatyvizmo greitis.

Ankstesniuose šviesos burių projektuose buvo naudojamos tokios medžiagos kaip antrinis aliuminis, įvairūs polimerai ir anglies pluoštas. Skirtingai nuo šių medžiagų, nanofotoninės struktūros turi galimybę manipuliuoti šviesa bangos ilgio skalėse, suteikiant joms pranašumą sprendžiant vienodus efektyvios varomosios jėgos (atspindžio) ir šiluminio valdymo (išmetimo) reikalavimus. Pavyzdžiui, mokslininkai parodė, kad dviejuose sluoksniuose silicis ir silicio dioksidas rodo pažadą dėl abiejų medžiagų bendrų savybių. Kadangi silicis turi didelį lūžio rodiklį, kuris atitinka veiksmingą varomąją jėgą, tačiau silpnas aušinimo pajėgumas, silicio dioksidas turi geras radiacinės aušinimo savybes, bet mažesnį lūžio rodiklį.

Savo darbe mokslininkai taip pat pasiūlė naują nuopelnų skaičių, kuris parodo kompromisą tarp mažos burių masės ir didelio atspindžio. Ateityje ši koncepcija padės sumažinti lazerio galios ir lazerio matricos dydžio apribojimus.

Fono šviesos burės

Nors per pastaruosius kelis dešimtmečius konceptualizuota beveik šimtmetį, technologijos buvo sugaunamos į ankstyvąją mokslininkų viziją, skatinančią šviesos slėgio erdvėlaivį. Įkvėptas taip, kad saulės spinduliavimas verčia priešingą kryptimi kometos uodegą, pirmosios sąvokos buvo saulės burės, naudojantys saulės šviesos spindulinį slėgį, o ne iš lazerių.

2010 m. Pirmąją saulės burės pradėjo Japonijos aviacijos ir kosmoso tyrimų agentūra (JAXA) ir per šešis mėnesius sėkmingai pasiekė "Venus" orbitą, kuriai veikė tik saulės šviesos spinduliuotė. Dabar mokslininkai dirba projektuojant saulės baterijas, galinčias kurti didesnį pagreitį, kuris yra konkurencinis su raketų pagreičiu, ir siūlo galimybę paleisti erdvėlaivius be milijardų dolerių kainuojančių įprastinių propelentų.

Nors saulės burės gali pasiekti raketų panašų greitį, saulės spinduliuotė yra gana silpna, palyginti su didelio galingumo lazeriu. Dėl šios priežasties lazerio matrica suteikia galimybę daug greičiau judėti, negu reliatyvizmo greitis, tačiau reikia daugiau darbo prieš parodant tokius lazeriu veikiančius burės.

menu
menu