Ученые работают над созданием космического паруса

Прочитано: 166 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


Как сконструировать парус, который не порвется и не расплавится в межзвездном путешествии.

Астрономы десятилетиями ждали запуска космического телескопа Джеймса Уэбба, который обещает заглянуть в космос дальше, чем когда-либо прежде. Но если люди действительно хотят добраться до нашего ближайшего звездного соседа, им придется подождать еще немного: зонду, отправленному к Альфе Центавра с помощью ракеты, потребуется примерно 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 он и его коллеги разрабатывают размер, форму и материалы для паруса, толкаемого не ветром, а светом .

Используя нанотонкие материалы и массив мощных лазеров, такой парус мог бы нести зонд размером с микрочип со скоростью, составляющей пятую часть скорости света, достаточно быстро, чтобы совершить путешествие к Альфе Центавра примерно за 20 лет, а не за тысячелетия.

«Чтобы добраться до другой звезды в течение нашей жизни, потребуется релятивистская скорость или что-то близкое к скорости света», — говорит Баргатин. «Идея легкого паруса существует уже некоторое время, 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, необходимую световым парусам для движения. Однако план Starshot по доведению своих парусов до релятивистских скоростей требует гораздо более целенаправленного источника энергии. Как только парус окажется на орбите, массивный массив наземных лазеров направит на него свои лучи, обеспечивая интенсивность света, в миллионы раз превышающую солнечную.

Учитывая, что целью лазеров будет трехметровая конструкция, которая в тысячу раз тоньше листа бумаги, выяснение того, как предотвратить разрыв или плавление паруса, является серьезной задачей проектирования.

Баргатин, Дип Джаривала, доцент кафедры электротехники и системотехники, и Аасват Раман, доцент кафедры материаловедения и инженерии Инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, опубликовали пару статей в журнале Nano Letters . которые обрисовывают в общих чертах некоторые из этих основных спецификаций.

В одной статье, которую возглавлял Баргатин, показано, что легкие паруса Starshot, которые предполагается построить из ультратонких листов оксида алюминия и дисульфида молибдена, должны будут развеваться, как парашют, а не оставаться плоскими, как предполагалось в большинстве предыдущих исследований.

«Интуиция здесь такова, что очень тугой парус, будь то на парусной лодке или в космосе, гораздо более подвержен разрывам», — говорит Баргатин. «Эту концепцию относительно легко понять, но нам нужно было выполнить очень сложную математику, чтобы показать, как эти материалы будут вести себя в таком масштабе».

Баргатин и его коллеги предполагают, что вместо плоского листа изогнутая структура, примерно такая же глубина, как и ширина, лучше всего сможет выдержать напряжение гиперускорения паруса, притяжение, в тысячи раз превышающее силу земного притяжения.

«Лазерные фотоны наполнят парус так же, как воздух надувает пляжный мяч», — говорит Мэтью Кэмпбелл, научный сотрудник группы Баргатина и ведущий автор первой статьи. «И мы знаем, что легкие контейнеры под давлением должны быть сферическими или цилиндрическими, чтобы избежать разрывов и трещин. Вспомните баллоны с пропаном или даже топливные баки на ракетах».

Другая статья, подготовленная Раманом, дает 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 даже малую долю падающего на них лазерного излучения, они нагреются до очень высоких температур», — объяснил Раман. «Чтобы убедиться, что они не просто распадутся, нам нужно максимально увеличить их способность излучать свое тепло, что является единственным способом передачи тепла, доступным в космосе».

Более ранние исследования светового паруса показали, что использование конструкции фотонного кристалла, по существу, усеивающего «ткань» паруса регулярно расположенными отверстиями, максимизирует тепловое излучение конструкции. В новой работе исследователей добавлен еще один уровень периодичности: образцы парусной ткани соединены вместе в сетку.

С расстоянием между отверстиями, соответствующим длине волны света, и расстоянием между образцами, соответствующим длине волны теплового излучения, парус мог выдержать еще более мощный начальный толчок, сокращая время, необходимое лазерам, чтобы оставаться на своей цели.

«Несколько лет назад даже думать или проводить теоретическую работу над такой концепцией считалось надуманным», — говорит Джаривала. «Теперь у нас есть не только дизайн, но и дизайн, основанный на реальных материалах, доступных в наших лабораториях. Наш план на будущее состоит в том, чтобы создавать такие структуры в небольших масштабах и тестировать их с помощью мощных лазеров».

Ученые работают над созданием космического паруса



Новости партнеров