מפרשים אור Nanophotonic עשוי לנסוע במהירויות relativistic

מפרשים - הגיע הזמן | Mifrasim - Higia Hazman (יוני 2019).

Anonim

יום אחד בעתיד הלא-רחוק, מפרשים קלים עשויים לזרום בחלל במהירות של כ -20% ממהירות האור (או 60, 000 קמ"ש), המונעים לא על ידי דלק אלא על ידי לחץ הקרינה של הספק גבוה לייזרים על כדור הארץ. בנסיעה במהירויות היחסות הללו, מפרשי האור המופעלים באמצעות לייזר יכולים להגיע לכוכב הקרוב ביותר שלנו (מלבד השמש), אלפא קנטאורי (Alpha Centauri), או לכוכב הלכת הקרוב ביותר שאפשר לחיות בו, פרוקסימה קנטאורי, בערך 20 שנה. שני החפצים נמצאים במרחק של קצת יותר מארבע שנות אור.

עיצוב מפרשים אור הוא האתגר ההנדסי הגדול, עם זאת, הדורש תכונות סותרות זה נשמע כמעט בלתי אפשרי: מפרש אור אידיאלי צריך להיות כמה מטרים רחב מכני חזק מספיק כדי לעמוד בלחץ קרינה אינטנסיבי, עדיין להיות רק 100 ננומטר או כך עבה שוקל רק כמה גרם.

דרישות נוספות נובעות מהמנגנון שבאמצעותו מפרשים אור עובדים. על פי משוואות מקסוול, לאור יש מומנטום וכתוצאה מכך ניתן להפעיל לחץ על עצמים. עם זאת, מפרשים אור לא פשוט נדחף על ידי לחץ קרינה כמו סירת מפרש נדחף על ידי הרוח. במקום זאת, לדחוף את התוצאות של מפרש אור המשקף את הקרינה. כתוצאה מכך, מפרש אופטימלי צריך לשקף את רוב הקרינה בספקטרום האינפרה-אדום הקרוב של קרן הלייזר, ובמקביל פולט קרינה בטווח האמצע האינפרה-אדום לצורך קירור רדיאטיבי יעיל.

מפרשים ננו-פוטוניים

במחקר חדש שפורסם ב Nano Letters, חוקרים Ognjen Ilic, Cora Went, והארי Atwater במכון הטכנולוגי של קליפורניה, פסדינה, הראו כי מבנים ננו-פוטוניים עשויים להיות בעלי פוטנציאל לעמוד בדרישות החומר הקפדניות למפרשים קלים המסוגלים לנסוע ב מהירויות relativistic.

בעבר עיצובים מפרש אור יש להשתמש בחומרים כגון אלומיניום ultrathin, פולימרים שונים, סיבי פחמן. שלא כמו חומרים אלה, מבנים nanophotonic יש את היכולת לתמרן אור בקשקשים subwavelength, נותן להם יתרון בהתמודדות עם הדרישות בו זמנית של הנעה יעילה (השתקפות) וניהול תרמי (פליטה). לדוגמה, החוקרים הראו כי שתי שכבות מחסנית של סיליקון סיליקה מראה מבטיח בשל המאפיינים המשולבים של שני החומרים. בעוד שלסיליקון יש מקדם שבירה גדול - התואם להנעה יעילה - אך יכולת קירור ירודה, לסיליקה יש תכונות קירור טובות רדיואקטיביות, אך מדד השבירה קטן יותר.

במאמרם, החוקרים הציעו גם דמות חדשה של הכשרון, אשר מודדת את הסחר בין השגת מסה מפרש נמוכה לבין רפלקטיביות גבוהה. בעתיד, תפיסה זו תסייע לצמצם את האילוצים על כוח הלייזר ואת גודל מערך הלייזר.

רקע על מפרשים קלים

למרות שמדובר במשך כמעט מאה שנים, רק בעשורים האחרונים יש הטכנולוגיה נתפס עד חזיונות מוקדם של מדענים של דחיקת חללית עם הלחץ של האור. בהשראת האופן שבו הקרינה של השמש דוחפת זנב שביט בכיוון ההפוך, המושגים המוקדמים ביותר היו של מפרשים סולאריים המשתמשים בלחץ הקרינה מאור השמש ולא מלייזרים.

המפרש הסולארי הראשון הושק בשנת 2010 על ידי סוכנות החלל היפנית (JAXA) והגיע בהצלחה למסלול ונוס בתוך שישה חודשים, מופעל רק על ידי לחץ הקרינה של אור השמש. עכשיו חוקרים עובדים על תכנון מפרשים סולאריים המסוגלים להאצים גדולים יותר תחרותיים עם האצת טילים, המציעים את האפשרות של שיגור החללית ללא עלות מיליארד דולר של דלקים קונבנציונאלי.

למרות מפרשים השמש יכול להשיג מהירויות טילים, קרינת השמש הוא חלש יחסית לעומת מערך לייזר גבוהה. כתוצאה מכך, מערך לייזר מציע את הפוטנציאל הנעה הרבה יותר מהר, עד מהירויות relativistic - אבל יותר עבודה נדרשת לפני מפרצים כאלה מופעל לייזר.

menu
menu