Релятивистский световой парус, который не порвется и не расплавится в межзвездном путешествии

Концепция космического аппарата Starshot Lightsail во время разгона с помощью наземной лазерной установки. В предыдущих концепциях световых парусов они представлялись пассивно подталкиваемыми солнечным светом, но лазерный подход Starshot требует переосмысления формы и состава паруса, чтобы он не расплавился и не порвался при ускорении. Credit: Masumi Shibata, courtesy of Breakthrough Initiatives

Астрономы уже несколько десятилетий ждут запуска космического телескопа Джеймса Уэбба, который обещает заглянуть в космос дальше, чем когда-либо прежде. Но если люди хотят достичь нашего ближайшего звездного соседа, им придется ждать гораздо дольше: зонду, отправленному на ракете к Альфе Центавра, потребуется около 80 000 лет, чтобы совершить путешествие.

Игорь Баргатин, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики, пытается решить эту футуристическую проблему с помощью идей, взятых из одной из древнейших транспортных технологий человечества — паруса.

В рамках инициативы Breakthrough Starshot Initiative он и его коллеги разрабатывают размеры, форму и материалы для паруса, движимого не ветром, а светом.

Используя наноскопически тонкие материалы и массив мощных лазеров, такой парус может нести зонд размером с микрочип со скоростью, составляющей пятую часть скорости света, что позволит добраться до Альфы Центавра примерно за 20 лет, а не за тысячелетия.

«Достижение другой звезды в течение нашей жизни потребует релятивистской скорости, или скорости, приближающейся к скорости света», — говорит Баргатин. «Идея создания легкого паруса возникла уже давно, но мы только сейчас выясняем, как сделать так, чтобы эти конструкции выдержали путешествие».

Большая часть более ранних исследований в этой области предполагала, что солнце будет пассивно обеспечивать всю энергию, которая необходима легким парусам для движения. Однако план Starshot по разгону паруса до релятивистских скоростей требует гораздо более целенаправленного источника энергии. Как только парус окажется на орбите, массивная сеть наземных лазеров направит на него свои лучи, обеспечивая интенсивность света, в миллионы раз превышающую солнечную.

Учитывая, что мишенью лазеров будет трехметровая структура шириной в тысячу раз тоньше листа бумаги, поиск путей предотвращения разрыва или расплавления паруса представляет собой серьезную конструкторскую задачу.

Баргатин, Дип Джаривала, доцент кафедры электротехники и системной инженерии, и Аасват Раман, доцент кафедры материаловедения и инженерии Школы инженеров Самуэли Калифорнийского университета, опубликовали в журнале Nano Letters пару работ, в которых излагаются некоторые из этих фундаментальных характеристик.

В одной из работ [1], подготовленной Баргатиным, показано, что легкие паруса Starshot, которые предполагается изготовить из сверхтонких листов оксида алюминия и дисульфида молибдена, должны раскрываться, как парашют, а не оставаться плоскими, как предполагалось в большинстве предыдущих исследований.

«Интуиция подсказывает, что очень тугой парус, будь то на паруснике или в космосе, гораздо больше подвержен разрывам», — говорит Баргатин. «Это довольно простая концепция, но нам потребовалось провести очень сложные математические расчеты, чтобы показать, как эти материалы будут вести себя в таком масштабе».

Баргатин и его коллеги предполагают, что не плоский лист, а изогнутая структура, примерно равная по глубине и ширине, будет в наибольшей степени способна выдержать нагрузку от гиперускорения паруса, притяжения, в тысячи раз превышающего земное притяжение.

«Лазерные фотоны будут наполнять парус подобно тому, как воздух наполняет пляжный мяч», — говорит Мэтью Кэмпбелл, постдокторант из группы Баргатина и ведущий автор первой статьи. «Мы знаем, что легкие контейнеры, находящиеся под давлением, должны быть сферическими или цилиндрическими, чтобы избежать разрывов и трещин. Вспомните баллоны с пропаном или даже топливные баки на ракетах».

В другой работе [2], выполненной под руководством Рамана, дается представление о том, как наноразмерные узоры внутри паруса могут наиболее эффективно рассеивать тепло, которое исходит от лазерного луча, в миллион раз более мощного, чем солнечный.

«Если паруса поглотят хотя бы малую долю падающего лазерного излучения, они нагреются до очень высоких температур», — пояснил Раман. «Чтобы убедиться, что они просто не разрушатся, нам необходимо максимально увеличить их способность излучать тепло, что является единственным способом теплопередачи в космосе».

Предыдущие исследования светового паруса показали, что использование фотонных кристаллов, по сути, усеивающих «ткань» паруса регулярно расположенными отверстиями, позволяет максимизировать тепловое излучение конструкции. В новой работе исследователей добавляется еще один слой периодичности: участки ткани паруса скрепляются между собой в виде сетки.

Благодаря тому, что расстояние между отверстиями соответствует длине волны света, а расстояние между мазками — длине волны теплового излучения, парус может выдержать еще более мощный первоначальный толчок, что сократит время пребывания лазеров на цели.

«Несколько лет назад даже мысли или теоретические работы по подобной концепции считались надуманными», — говорит Джаривала. «Теперь же у нас не только есть проект, но он основан на реальных материалах, имеющихся в наших лабораториях. В будущем мы планируем создавать такие структуры в малых масштабах и испытывать их с помощью мощных лазеров».

«Relativistic Light Sails Need to Billow», Matthew F. Campbell, John Brewer, Deep Jariwala, Aaswath P. Raman and Igor Bargatin, 23 декабря 2021 г., Nano Letters . DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03272

«Multiscale Photonic Emissivity Engineering for Relativistic Lightsail Thermal Regulation», John Brewer, Matthew F. Campbell, Pawan Kumar, Sachin Kulkarni, Deep Jariwala, Igor Bargatin and Aaswath P. Raman, 11 января 2022 г., Nano Letters . DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03273

Паван Кумар, постдокторант из лаборатории Джаривалы, а также Джон Брюер и Сачин Кулкарни, сотрудники лаборатории Рамана в Калифорнийском университете в Самуэли, приняли участие в этом исследовании.

Breakthrough Starshot является частью Breakthrough Initiatives — комплекса космических научных программ, исследующих фундаментальные вопросы жизни во Вселенной. Эти филантропические инициативы финансируются Фондом «Прорыв», основанным Юрием Мильнером и его супругой Юлией.