|
Паруса, которые доставят зонды к Альфе-Центавра
|
|
|
|
Идея путешествия в межзвездном пространстве с помощью космических аппаратов, приводимых в движение ультратонкими парусами, может показаться фантастической. Но на самом деле эту идею изучает программа, начатая в 2016 году Стивеном Хокингом и Юрием Мильнером, известная как Breakthrough Starshot Initiative. Концепция заключается в использовании лазеров для приведения в движение миниатюрных космических зондов, прикрепленных к "световым парусам", для достижения сверхбыстрых скоростей и, в конечном счете, достижения ближайшей к нам звездной системы - Альфы Центавра.
|
|
|
|
Калифорнийский технологический институт возглавляет мировое сообщество, работающее над достижением этой смелой цели. "Световой парус будет перемещаться быстрее, чем любой предыдущий космический аппарат, и в конечном итоге может открыть межзвездные расстояния для непосредственного исследования космическими аппаратами, которые сейчас доступны только для дистанционного наблюдения", - объясняет Гарри Этуотер, руководитель отдела инженерии и прикладных наук Otis Booth и профессор прикладной физики и материаловедения Говарда Хьюза в Калифорнийском технологическом институте.
|
|
|
|
Теперь Этуотер и его коллеги из Калифорнийского технологического института разработали платформу для определения характеристик ультратонких мембран, которые однажды могут быть использованы для изготовления таких световых парусов. Их испытательная платформа включает в себя способ измерения силы, которую лазеры оказывают на паруса и которая будет использоваться для того, чтобы отправить космический корабль в космическое пространство. Эксперименты команды знаменуют собой первый шаг в переходе от теоретических предложений и конструкций световых парусов к реальным наблюдениям и измерениям ключевых концепций и потенциальных материалов.
|
|
|
|
|
|
|
"При разработке мембраны, которую в конечном итоге можно было бы использовать в качестве светового паруса, возникает множество проблем. Она должна выдерживать нагрев, сохранять форму под давлением и устойчиво перемещаться вдоль оси лазерного луча", - говорит Этуотер. "Но прежде чем мы сможем приступить к созданию такого паруса, нам нужно понять, как материалы реагируют на воздействие лазерного излучения. Мы хотели знать, можем ли мы определить силу, действующую на мембрану, просто измерив ее движение. Оказывается, мы можем".
|
|
|
|
Статья с описанием работы опубликована в журнале Nature Photonics. Ведущими авторами статьи являются постдокторант по прикладной физике Лиор Михаэли и аспирант по прикладной физике Рамон Гао (MS '21), оба из Калифорнийского технологического института.
|
|
|
|
Цель состоит в том, чтобы охарактеризовать поведение свободно движущегося светового паруса. Но в качестве первого шага, чтобы начать изучение материалов и движущих сил в лаборатории, команда создала миниатюрный световой парус, который закреплен по углам внутри более крупной мембраны.
|
|
|
|
Исследователи использовали оборудование из Института нанонауки Кавли в Калифорнийском технологическом институте и технику, называемую электронно-лучевой литографией, чтобы тщательно обработать мембрану из нитрида кремния толщиной всего 50 нанометров, создав нечто похожее на микроскопический батут. Мини-батут представляет собой квадрат шириной всего 40 микрон и длиной 40 микрон, подвешенный по углам на пружинах из нитрида кремния. Затем команда воздействовала на мембрану лучом аргонового лазера с видимой длиной волны. Цель состояла в том, чтобы измерить радиационное давление, которое испытывал миниатюрный световой парус, измеряя движение батута при его движении вверх и вниз.
|
|
|
|
Но картина с точки зрения физики меняется, когда парус привязан, говорит соавтор исследования Михаэли. "В этом случае динамика становится довольно сложной". Парус действует как механический резонатор, вибрируя, как батут, при попадании света. Ключевая проблема заключается в том, что эти колебания в основном вызваны теплом от лазерного луча, которое может маскировать прямое воздействие радиационного давления. Михаэли говорит, что команда превратила эту проблему в преимущество. "Мы не только избежали нежелательных эффектов нагрева, но и использовали то, что узнали о работе устройства, чтобы создать новый способ измерения силы света".
|
|
|
|
Новый метод позволяет устройству дополнительно выполнять функцию измерителя мощности для измерения силы и мощностного воздействия лазерного луча.
|
|
|
|
"Устройство представляет собой небольшой световой парус, но большая часть нашей работы заключалась в разработке и реализации схемы для точного измерения движения, вызванного дальнодействующими оптическими силами", - говорит соавтор исследования Гао.
|
|
|
|
Для этого команда создала так называемый интерферометр с общим ходом. В целом, движение можно обнаружить с помощью интерференции двух лазерных лучей, один из которых попадает на вибрирующий образец, а другой фиксирует неподвижное положение. Однако в интерферометре с общим каналом действия, поскольку два луча проходят почти один и тот же путь, они сталкиваются с одними и теми же источниками шума окружающей среды, такими как работающее поблизости оборудование или даже разговоры людей, и эти сигналы устраняются. Все, что остается, - это очень слабый сигнал от движения образца.
|
|
|
|
Инженеры встроили интерферометр в микроскоп, который они использовали для изучения миниатюрного паруса, и поместили устройство в специально изготовленную вакуумную камеру. Затем они смогли измерить движения паруса величиной в пикометры (триллионные доли метра), а также его механическую жесткость - то есть, насколько сильно деформировались пружины, когда на парус давило лазерное излучение.
|
|
|
|
Поскольку исследователи знают, что световой парус в космосе не всегда будет оставаться перпендикулярным лазерному источнику на Земле, они затем наклонили лазерный луч, чтобы имитировать это, и снова измерили силу, с которой лазер толкал мини-парус. Важно отметить, что исследователи учли, что лазерный луч распространяется под углом и, следовательно, не попадает на образец в некоторых областях, откалибровав свои результаты в соответствии с мощностью лазера, измеренной самим прибором. Тем не менее, сила воздействия при таких обстоятельствах оказалась ниже ожидаемой. В своей работе исследователи выдвигают гипотезу, что часть луча, направленного под углом, попадает на край паруса, в результате чего часть света рассеивается и направляется в других направлениях.
|
|
|
|
Заглядывая вперед, команда надеется использовать нанонауку и метаматериалы - материалы, тщательно разработанные в таких крошечных масштабах, чтобы обладать желаемыми свойствами, - которые помогут управлять движением из стороны в сторону и вращением миниатюрного светового паруса.
|
|
|
|
"Тогда целью было бы посмотреть, сможем ли мы использовать эти наноструктурированные поверхности, например, для придания световому парус восстанавливающей силы или крутящего момента", - говорит Гао. "Если бы световой парус двигался или вращался вне лазерного луча, мы бы хотели, чтобы он двигался или вращался обратно сам по себе".
|
|
|
|
Исследователи отмечают, что они могут измерять движение и вращение из стороны в сторону с помощью платформы, описанной в статье. "Это важный шаг на пути к наблюдению оптических сил и крутящих моментов, предназначенных для того, чтобы световой парус со свободным ускорением двигался по лазерному лучу", - говорит Гао.
|
|
|
|
Статья "Прямые измерения радиационного давления для мембран lightsail" была опубликована 30 января. Наряду с Этуотером, Михаэли и Гао, дополнительными авторами статьи в Калифорнийском технологическом институте являются старший научный сотрудник Майкл Д. Кельценберг (PhD '10), бывший аспирант Клаудио У. Хейл и профессор-исследователь Джон Э. Садер. Автором статьи также является Адриен Меркт, который участвовал в проекте в качестве аспиранта Высшей технической школы Цюриха. Работа была выполнена при поддержке Управления научных исследований ВВС и инициативы Breakthrough Starshot.
|
|
|
|
Источник
|
