Создан первый световой парус для межзвёздных путешествий с увеличенной скоростью света на 20%

Трехслойная пленка толщиной в сотни нанометров выдерживает давление лазера мощностью 100 гигаватт и сокращает время полета к Альфе Центавра с 75 000 до 20 лет

Наука и космос231 июл 23:44

Инженеры из Пенсильванского университета (UPenn), Калифорнийского технологического института (Caltech) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) осуществили концепцию лазерных межзвёздных полётов, основанную на теоретической физике, в лабораторных условиях.

Команда создала прототип многослойного светового паруса из дисульфида молибдена и оксида алюминия, обладающего высокой отражательной способностью и эффективным теплоотводом. Эта конструкция успешно решает давнюю задачу баланса между минимальной массой, оптической эффективностью и термической стойкостью, которые ранее считались несовместимыми. Результаты испытаний и сравнительные показатели эффективности материала опубликованы в журнале Nature Communications.

Современные химические ракеты требуют от 75 000 до 165 000 лет, чтобы достичь ближайшей звёздной системы Альфа Центавра. Инициатива Breakthrough Starshot предлагает альтернативный подход: разместить источник энергии на Земле в виде массива лазеров мощностью 100 гигаватт, которые будут направлены на парус микроскопического зонда массой около 1 грамма. Поток фотонов должен разогнать устройство до 1/5 скорости света (около 60 000 километров в секунду) всего за 7 минут, тем самым сократив время перелета до 20 лет.

До настоящего времени не было материала, способного выдерживать такой процесс. Плёнка, которая поглощает даже малую долю энергии гигаваттного лазера, мгновенно плавится, а слишком тонкие материалы рвутся под огромным давлением луча. Чтобы преодолеть это физическое ограничение, инженеры разработали трёхслойную структуру, в которой каждый слой выполняет свою задачу.

Основу паруса составляет слой дисульфида молибдена (MoS2), обладающий высоким коэффициентом преломления и эффективно отражающий инфракрасный свет лазера. Ядро защищено двумя ультратонкими слоями оксида алюминия (Al2O3). Эта оболочка оберегает хрупкую сердцевину и функционирует как радиатор, отводя излишки тепла в космос до того, как парус сможет перегреться.

Другой проблемой была механическая прочность. Лист толщиной в несколько сотен нанометров легко сминается, прилипает и рвётся. Инженеры использовали метод гексагонального гофрирования, нанеся на парус микроскопический узор в виде пчелиных сот. Работая по принципу гофрокартона, такая архитектура значительно увеличила жёсткость материала на изгиб, не добавляя лишнего веса, и защитила плёнку от распространения микротрещин. Кроме того, такая конструкция позволяет парусу выдерживать экстремальные изгибы и восстанавливать форму, что облегчает его развёртывание после транспортировки в сложенном виде.

Лабораторные испытания показали, что вес созданных прототипов составляет менее 1 грамма на квадратный метр (примерно в 100 раз легче стандартной бумаги). При этом парус отражает более 50% попадающего лазерного излучения и поглощает менее 4%, эффективно преобразуя свет в кинетическую энергию.

На сегодняшний день прототип является единственным, способным достичь релятивистской цели на основе измеренного, а не только теоретически рассчитанного спектра отражения.

Создание массивов наземных лазеров диаметром 26 километров остается задачей будущего, однако напечатанные паруса уже имеют практическую ценность.

Для превращения прототипа в полномасштабный межзвёздный парус инженеры намерены сосредоточиться на повышении термостойкости, масштабировании производства и решении вопросов механической стабильности. Чтобы избежать перегрева от мощных лазеров, планируется преобразовать аморфный оксид алюминия в кристаллический сапфир, протестировать новые методы осаждения дисульфида молибдена и улучшить теплоотвод за счёт поверхностных микроструктур, а также протестировать альтернативные внешние слои. Увеличить площадь паруса можно будет с помощью методов травления и рулонной нанолитографии, которую теоретически можно применять прямо в вакууме на низкой околоземной орбите. Одновременно физики будут изучать эффекты двухфотонного поглощения, моделировать оптимальную толщину наноплёнок и добиваться устойчивого удержания полотна в центре лазерного луча, что в будущем позволит протестировать эту технологию для развертывания систем космической связи или доставки исследовательских зондов к Юпитеру всего за 4 дня.

Darth SaharaИсточники:Nature CommunicationsPenn EngineeringНаука и космос2космосАстрономияСветовой парусМежзвёздные полётыBreakthrough StarshotКосмические аппараты31 июл 23:44