В 2016 году, вдохновленные идеями Стивена Хокинга и Юрия Мильнера, ученые запустили амбициозную программу "Breakthrough Starshot". Цель этой инициативы – достижение ближайшей к нам звездной системы, Альфы Центавра, при помощи миниатюрных космических зондов, оснащенных сверхтонкими световыми парусами. Предполагается, что мощные лазеры, расположенные на Земле, будут разгонять эти паруса до огромных скоростей, позволяя зондам преодолевать межзвездные расстояния.
Калифорнийский технологический институт (Caltech) играет ключевую роль в реализации этой концепции. Под руководством Гарри Этуотера, занимающего должность главы инженерного отделения, профессора прикладной физики и материаловедения, группа ученых проводит новаторские исследования в области нанотехнологий и оптики. В центре внимания – разработка материалов и методов для точного управления световыми парусами.
Для тестирования концепции был создан уникальный экспериментальный стенд в Институте нанонауки Кавли при Caltech. В качестве первого прототипа светового паруса был использован микроскопический «батут» из нитрида кремния. Эта ультратонкая мембрана, толщиной всего 50 нанометров и размером 40 на 40 микрон, крепится на специальной подложке и служит для изучения взаимодействия лазерного света с подобными материалами.
Используя аргоновый лазер видимого диапазона, ученые направляли луч на мини-парус и измеряли его движение. Выяснилось, что под действием давления света парус начинает вибрировать, как механический резонатор. Измеряя мельчайшие колебания, которые достигают пикометровых значений (триллионные доли метра), исследователи смогли точно определить силу радиационного давления, оказываемого лазером.
Для наблюдения за колебаниями микроскопического паруса использовался высокоточный интерферометр общего пути. Это устройство позволило измерять даже самые незначительные движения мембраны. Эксперименты проводились с лазерным лучом, направленным под углом, чтобы имитировать условия, приближенные к космическим. Это необходимо, так как в космосе лазерный луч не будет перпендикулярен парусу.
Исследователи, включая постдокторанта Лиора Михаэли и аспиранта Рамона Гао, подробно описали свои открытия в журнале Nature Photonics. Их работа открывает путь к созданию более сложных световых парусов с контролируемой ориентацией в пространстве.
Одной из ключевых задач является разработка материалов, которые могли бы выдерживать экстремальные температуры и давления, не теряя своей формы и эффективности. В будущем исследователи планируют использовать передовые наноматериалы и метаматериалы, чтобы точнее управлять движением и вращением парусов под действием лазерного света.
В ходе исследований ученые также столкнулись с рядом проблем. Например, нагрев паруса под действием лазера может маскировать эффекты радиационного давления. Контроль бокового движения и вращения миниатюрного паруса также является непростой задачей. Кроме того, рассеяние лазерного луча под углом затрудняет измерение силы давления.
Разработка световых парусов требует от ученых решения этих проблем. Важно найти способы нивелирования влияния нагрева и контроля угловой ориентации паруса. Это необходимо для того, чтобы парус мог самостоятельно «ехать» на лазерном луче, а также точно измерять силу и мощность лазерного излучения.
Несмотря на эти трудности, ученые настроены оптимистично. Их работа является важным шагом на пути к созданию межзвездных аппаратов и расширению наших возможностей в исследовании космоса. В перспективе, эти исследования могут привести к созданию новых двигательных систем и технологий.
Изображение носит иллюстративный характер
Калифорнийский технологический институт (Caltech) играет ключевую роль в реализации этой концепции. Под руководством Гарри Этуотера, занимающего должность главы инженерного отделения, профессора прикладной физики и материаловедения, группа ученых проводит новаторские исследования в области нанотехнологий и оптики. В центре внимания – разработка материалов и методов для точного управления световыми парусами.
Для тестирования концепции был создан уникальный экспериментальный стенд в Институте нанонауки Кавли при Caltech. В качестве первого прототипа светового паруса был использован микроскопический «батут» из нитрида кремния. Эта ультратонкая мембрана, толщиной всего 50 нанометров и размером 40 на 40 микрон, крепится на специальной подложке и служит для изучения взаимодействия лазерного света с подобными материалами.
Используя аргоновый лазер видимого диапазона, ученые направляли луч на мини-парус и измеряли его движение. Выяснилось, что под действием давления света парус начинает вибрировать, как механический резонатор. Измеряя мельчайшие колебания, которые достигают пикометровых значений (триллионные доли метра), исследователи смогли точно определить силу радиационного давления, оказываемого лазером.
Для наблюдения за колебаниями микроскопического паруса использовался высокоточный интерферометр общего пути. Это устройство позволило измерять даже самые незначительные движения мембраны. Эксперименты проводились с лазерным лучом, направленным под углом, чтобы имитировать условия, приближенные к космическим. Это необходимо, так как в космосе лазерный луч не будет перпендикулярен парусу.
Исследователи, включая постдокторанта Лиора Михаэли и аспиранта Рамона Гао, подробно описали свои открытия в журнале Nature Photonics. Их работа открывает путь к созданию более сложных световых парусов с контролируемой ориентацией в пространстве.
Одной из ключевых задач является разработка материалов, которые могли бы выдерживать экстремальные температуры и давления, не теряя своей формы и эффективности. В будущем исследователи планируют использовать передовые наноматериалы и метаматериалы, чтобы точнее управлять движением и вращением парусов под действием лазерного света.
В ходе исследований ученые также столкнулись с рядом проблем. Например, нагрев паруса под действием лазера может маскировать эффекты радиационного давления. Контроль бокового движения и вращения миниатюрного паруса также является непростой задачей. Кроме того, рассеяние лазерного луча под углом затрудняет измерение силы давления.
Разработка световых парусов требует от ученых решения этих проблем. Важно найти способы нивелирования влияния нагрева и контроля угловой ориентации паруса. Это необходимо для того, чтобы парус мог самостоятельно «ехать» на лазерном луче, а также точно измерять силу и мощность лазерного излучения.
Несмотря на эти трудности, ученые настроены оптимистично. Их работа является важным шагом на пути к созданию межзвездных аппаратов и расширению наших возможностей в исследовании космоса. В перспективе, эти исследования могут привести к созданию новых двигательных систем и технологий.
