Innovative reflektierende Materialien zur Beschleunigung lichtjahre entfernter Raumsonden

Masumi ShibataEine Illustration der Raumsonde Starshot Lightsail während der Beschleunigung durch ein bodengestütztes Laserarray

9. Februar 2022

Die Reise zu Alpha Centauri, unserem nächsten Nachbarn im Sternensystem, der 4,37 Lichtjahre entfernt ist, würde viel länger als ein Leben dauern. Selbst eine der schnellsten Sonden der Menschheit, Voyager 1, würde mehr als 70.000 Jahre brauchen, um dort mit ihrer aktuellen Geschwindigkeit von 61.500 Kilometern pro Stunde anzukommen.

Dennoch hat die verlockende Aussicht, noch zu unseren Lebzeiten andere Sterne zu erreichen, viele Ingenieure dazu motiviert, kreative Ansätze zur Beschleunigung des Antriebs von Raumfahrzeugen zu entwickeln, darunter auch laserbetriebene Lichtsegel. Anstatt wie ihre alten Verwandten an Bord den Wind zu nutzen, werden Lichtsegel durch Licht angetrieben, das von ihren Oberflächen reflektiert wird.

Gefördert durchDurchbruch Starshot, Die Forschungsergebnisse sind ein 100-Millionen-Dollar-Forschungs- und Ingenieurprogramm zur Entwicklung einer neuen Technologie für unbemannte interstellare Reisen und wurden kürzlich in Nano Letters veröffentlicht. In zwei separaten Arbeiten haben die Gruppen neue Konzepte für Form, Größe und Materialien zukünftiger Lichtsegel vorgeschlagen und bewertet, die schnell beschleunigen und gleichzeitig kühl bleiben sollen, damit sie im Weltraum nicht überhitzen und verdunsten.

Ein starker Laserpuls, der von der Erdoberfläche abgestrahlt wird, würde den nötigen Schub liefern, um die hohen Geschwindigkeiten zu erreichen, die für schnellere interstellare Reisen erforderlich sind. Dieser Strahl würde ein kleines „Nanofahrzeug“, das nicht schwerer als ein Drittel einer Unze ist, durch das Vakuum des Weltraums beschleunigen. Bei richtiger Konstruktion könnte ein solches Raumschiff Geschwindigkeiten von etwa 20 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen, etwa 3,6 Millionen Kilometer pro Stunde. Bei diesen Geschwindigkeiten könnte die Raumsonde Alpha Centauri ihr Ziel in etwa 30 Jahren erreichen und dann Bilder und Messungen zur Erde zurückstrahlen.

Noch nie zuvor hat die Menschheit makroskopische Objekte auf solch relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt. Um diesen Durchbruch zu erreichen, sind extreme Eigenschaften aller beteiligten Komponenten erforderlich, vom Laser über die Ultraleichtsonde bis hin zum Segel selbst.

Die Segel müssen außerordentlich leicht sein – viel leichter als eine Feder – und dennoch in der Lage sein, das Licht des Lasers ausreichend zu reflektieren, um sich vorwärts zu bewegen. Ein Segel mit einem Durchmesser von etwa 2 Metern wiegt möglicherweise weniger als ein Gramm oder ein paar Tausendstel Pfund.

Ineines der PapiereDie Forschungsgruppen befassten sich mit einer grundlegenden Herausforderung, vor der Laserlichtsegel stehen: Schon die Absorption eines kleinen Bruchteils des Laserlichts auf einem Segel könnte es zerstören.

„Wir haben Entwürfe gezeigt, die in der Lage sind, das Segel und das Boot, das es zieht, schnell zu beschleunigen und gleichzeitig sicherzustellen, dass es nicht sofort auseinanderfällt.“ sagte Aaswath Raman.

„Wenn man einen leistungsstarken Laser auf etwas richtet, wird es leider sehr heiß, selbst wenn es nur einen sehr kleinen Teil des Laserlichts absorbiert“, sagte Aaswath Raman, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UCLA, der die Studie leitete Studie. „Wir wollten dieses Problem lösen, indem wir nanoskalige Lichtsegel entwerfen, die einzigartige Materialeigenschaften und optische Verhaltensweisen nutzen, die entstehen, wenn Materialien in Größenordnungen strukturiert werden, die mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts vergleichbar sind. Wir haben Designs gezeigt, die die Fähigkeit haben, das Segel schnell zu beschleunigen.“ Machen Sie es so, dass es mitzieht, und achten Sie dabei darauf, dass es nicht sofort auseinanderfällt.

Frühere Forschungen zu leichten Segeln konzentrierten sich auf die Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit auf Kosten der Haltbarkeit oder umgekehrt, aber das UCLA-UPenn-Team möchte ein realistisches Gleichgewicht zwischen beiden finden.

Das Team verwendete Molybdändisulfid, ein aufkommendes atomar dünnes „2D“-Material mit hohem Brechungsindex, sowie Siliziumnitrid, ein Material, das auch über die erforderlichen Eigenschaften verfügt, um Wärme effektiv abzustrahlen. Ihre Modellierung zeigt, dass dieses Segeldesign nicht nur die anfängliche Beschleunigungsphase überstehen könnte, die die Lichtsegel vorwärts treibt, sondern auch die Zielgeschwindigkeit in erdnaher Entfernung erreichen könnte. Dies ist wichtig, da der Laser, der auf das Segel zielt, von der Erde abgestrahlt wird und das Segel nicht mehr antreiben kann, sobald das Fahrzeug eine bestimmte Entfernung überschreitet.

Das neue Segelmaterial könnte in ein Design integriert werden, bei dem sehr kleine Stoffquadrate mit einer Fläche von etwa einem Hundertstel Millimeter anstelle einer einzelnen Bahn zusammengebunden werden, um die Wärmeableitung weiter zu verbessern.

Der Hauptautor des Papiers ist John Brewer, ein UCLA-Doktorand, der von Raman beraten und durch ein Graduiertenforschungsstipendium der National Science Foundation unterstützt wird. Weitere leitende Autoren des Artikels sind Deep Jariwala von Penn Engineering, Assistenzprofessor für Elektro- und Systemtechnik, und Igor Bargatin, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und angewandte Mechanik. Weitere Autoren sind der UCLA-Student Sachin Kulkarni und die Postdoktoranden Matthew Campbell und Pawan Kumar von Penn Engineering.

Indas zweite Papier, schlugen die Forscher vor, dass das Design des Segels es ermöglichen sollte, es auszubeulen, eher wie ein Fallschirm, anstatt flach zu sein.

„Die Intuition hier ist, dass ein sehr straffes Segel, sei es auf einem Segelboot oder im Weltraum, viel anfälliger für Risse ist“, sagte Bargatin, der die Studie leitete. „Es ist ein relativ leicht zu verstehendes Konzept, aber wir mussten einige sehr komplexe Berechnungen durchführen, um tatsächlich zu zeigen, wie sich diese Materialien in dieser Größenordnung verhalten würden.“

Bargatin und seine Kollegen gehen davon aus, dass statt einer flachen Plane eine gekrümmte Struktur, die ungefähr so ​​tief wie breit ist, der Belastung durch die Hyperbeschleunigung des Segels, einer Anziehungskraft, die das Tausendfache der Erdanziehungskraft übersteigt, am besten standhalten könnte.

Campbell war der Hauptautor dieses Artikels. Weitere Autoren sind Brewer, Jariwala und Raman.

Breakthrough Starshot ist Teil der Breakthrough Initiatives, einer Reihe weltraumwissenschaftlicher Programme, die die grundlegenden Fragen des Lebens im Universum untersuchen. Diese von der Breakthrough Foundation finanzierten philanthropischen Initiativen wurden von Yuri und Julia Milner ins Leben gerufen.