Масштабируемые световые паруса на основе нанотехнологий, разработанные для освоения космоса следующего поколения

24.03.2025

Исследователи из Делфтского технического университета и Университета Брауна разработали масштабируемые световые паруса на основе нанотехнологий, которые могут способствовать будущим достижениям в области освоения космоса и экспериментальной физики. В их исследовании, опубликованном в Nature Communications, представлены новые материалы и методы производства для создания самых тонких крупномасштабных отражателей из когда-либо созданных.

Световые паруса — это ультратонкие отражающие структуры, которые используют давление лазерного излучения для движения космических аппаратов на высоких скоростях. В отличие от обычных нанотехнологий, которые позволяют миниатюризировать устройства во всех измерениях, световые паруса используют другой подход. Они имеют наноразмерную толщину — примерно 1/1000 толщины человеческого волоса, — но могут быть в виде листов больших размеров.

Изготовление светового паруса, предусмотренного для инициативы Breakthrough Starshot, традиционно занимает 15 лет, в основном потому, что он покрыт миллиардами наноразмерных отверстий. Используя передовые технологии, команда, в которую входит первый автор и аспирант Лукас Нордер, сократила этот процесс до одного дня.

Новый тип нанотехнологий

«Это не просто ещё один шаг к уменьшению размеров; это совершенно новый подход к нанотехнологиям, — объясняет доктор Ричард Норте, доцент Делфтского технического университета. – Мы создаём устройства с высоким соотношением сторон, которые тоньше, чем всё, что было создано ранее, но имеют размеры, сравнимые с массивными конструкциями».

Текущий прототип имеет размеры 60 мм на 60 мм и толщину 200 нанометров, он покрыт миллиардами наноразмерных отверстий. Это представляет собой значительный шаг вперед в крупномасштабном производстве световых парусов.

«Другие недавние достижения в этой области, например, в Калифорнийском технологическом институте, продемонстрировали наноразмерный контроль над структурами парусов в микрометровом масштабе, в то время как наш подход масштабируется до структур размером в сантиметр, сохраняя при этом наноразмерную точность производства».

Если увеличить масштаб, то световой парус, созданный Норте и его коллегами, будет иметь длину семи футбольных полей, а толщину — всего один миллиметр.

«Этот материал отличается не только высоким соотношением сторон, но и одновременным сочетанием больших и наноразмеров в одном материале, что делает его лёгким и отражающим», — говорит Норте.

Для достижения этой цели команда объединила самые современные методы оптимизации нейронной топологии с передовыми методами изготовления.

«Мы разработали новое травление на газовой основе, которое позволяет нам аккуратно удалять материал под парусами, оставляя только парус, - объясняет Норте. - Если паруса ломаются, это, скорее всего, происходит во время изготовления. После подвешивания паруса становятся довольно прочными. Эти технологии были уникально разработаны в TU Delft».

«Наша работа объединяет последние достижения в области оптимизации для поиска новых способов создания неинтуитивных конструкций, — говорит доктор Мигель Бесса из Университета Брауна. — Сочетая нейронные сети с оптимизацией топологии, мы создали конструкции, которые расширяют границы возможного как в нанофотонике, так и в крупномасштабном производстве».

От пикометров до сантиметров и световых лет

Предлагаемые «световые паруса» используют давление излучения, создаваемое лазером, для ускорения до поразительных скоростей, что позволяет совершать быстрые межпланетные путешествия. Например, зонды, приводимые в движение разработанными «световыми парусами», теоретически могли бы добраться до Марса за то же время, что требуется для доставки международной почты.

Хотя такие огромные расстояния остаются целью на будущее, недавние исследования показали, что подобные световые паруса в настоящее время могут перемещаться на расстояния, измеряемые пикометрами. Норте и его команда сейчас готовят эксперименты по перемещению новых мембранных парусов на расстояния, измеряемые сантиметрами, в условиях гравитации Земли.

«Может показаться, что это немного, но это в 10 миллиардов раз дальше, чем всё, что когда-либо перемещалось с помощью лазеров».

Вселенная возможностей

Помимо освоения космоса, эти материалы открывают новые возможности для экспериментальной физики. Способность разгонять массы до высоких скоростей открывает беспрецедентные возможности для изучения взаимодействия света и материи и релятивистской физики в макроскопических масштабах.

«Это исследование выводит Делфт на передовые позиции в области наноразмерных материалов, — добавляет Норте. – Теперь, когда мы можем делать эти световые паруса такими же большими, как полупроводниковые пластины, мы изучаем, что можно сделать с помощью современных возможностей нанопроизводства, лазеров и проектирования.

«В каком-то смысле, я думаю, это может быть так же захватывающе, как и полёты за пределы Солнечной системы. Что меня поражает, так это то, что создание этих тонких оптических материалов может пролить свет на фундаментальные вопросы, например, насколько быстро мы можем ускорить объект. Нанотехнологии, стоящие за этим вопросом, несомненно, откроют новые направления для интересных исследований».

Инициатива «Прорывной Звездный выстрел»

В настоящее время нашим самым быстрым ракетам потребовалось бы около 10000 лет, чтобы добраться даже до ближайшей звезды за пределами Солнечной системы. Инициатива Breakthrough Starshot, объединяющая тысячи исследователей, стремится сократить это путешествие до 20 лет.

Разрабатывая сверхлёгкие космические аппараты с лазерным двигателем размером с микрочип, проект предусматривает первое межзвёздное путешествие человечества за пределы Солнечной системы. Starshot был запущен Юрием Мильнером и Стивеном Хокингом в 2016 году.

Источник: Phys.org