Żagiel kosmiczny do transportu czujników do Alpha Centauri

Jak zrobić żagiel, który porusza się z jedną piątą prędkości światła? To technologiczne wyzwanie leży u podstaw projektu „Breakthrough Starshot”, którego celem jest wysyłanie mikrobów w nanoskali do najbliższego naszego układu gwiezdnego: Alfa Centauri. Wykorzystując ultracienki żagiel o szerokości trzech metrów, napędzany szczególnie silną wiązką laserową, te nanomikroby mogły dotrzeć do Alfa Centauri, oddalonej o 4,37 lat świetlnych, w „tylko” 20 lat. Aby jednak osiągnąć tę prędkość, żagiel ciągnący nanosatelitę musi wytrzymać intensywne ciepło wytwarzane przez wiązkę laserową. W badaniu opublikowanym w czasopiśmie nano wiadomościZespół inżynierów z University of Pennsylvania (USA) proponuje formę zasłony, która zapobiega jej rozdzieraniu się lub stopieniu pod wpływem mocy lasera.

Ilustracja przedstawiająca Proximę, najbliższą Słońcu gwiazdę i członka układu gwiazd Alfa Centauri, w towarzystwie jednej z jej egzoplanet. Źródło: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRA / MGA / SCIENCE PHOTO LIBRARY PRZEZ AFP

Żagiel kosmiczny odporny na ekstremalne temperatury

Projekt „Breakthrough Starshot” narodził się w 2017 roku dzięki finansowaniu od rosyjskiego biznesmena i miliardera Jurija Milnera. to było wtedy Dołączył Stephen Hawkings który wspierał go aż do śmierci 14 marca 2018 r., ponieważ wierzył, że ziemia sięgnie W „Punkcie Świetlnym” w roku 2600 I że ludzkość musi wyruszyć w poszukiwaniu nowej planety domowej. Program „Breakthrough Starshot” chce wysłać w kierunku Alfa Centauri dużą liczbę nanomikrobów połączonych z laserowo napędzanymi żaglami. Blokowanie to powinno umożliwić nanowiązkom dotarcie do najbliższego nam układu gwiezdnego za 20 lat, w porównaniu do kilku tysięcy lat w przypadku konwencjonalnych rakiet.

Będą one składać się z bardzo cienkich warstw tlenku glinu i dwusiarczku molibdenu (półprzewodnika). Materiały te pozwolą im lepiej zbierać ciśnienie promieniowania generowanego przez laser. To ciśnienie radiacyjne działa jak paliwo dla żagla. Zależy to od ilości fotonów, które dotykają żagla i są od niego odbijane: im więcej, tym szybciej porusza się poruszany obiekt. Jednak ta duża ilość energii uwalnianej przez fotony znacznie zwiększa temperaturę napędzanego ciała. Tak więc, aby osiągnąć jedną piątą prędkości światła, żagiel, który jest lżejszy od piórka, musi wytrzymać intensywne ciepło.

Projekt „idiota” stał się możliwy

Aby zapobiec jego stopieniu lub rozerwaniu, inżynierowie ustalili optymalny kształt żagla. Według nich powinien być podobny do czaszy o głębokości odpowiadającej jego szerokości. „Zbyt ciasny żagiel, czy to na łodzi, czy w kosmosie, jest bardziej podatny na rozerwanie. To dość prosta koncepcja do zrozumienia, ale musieliśmy wykonać szczególnie złożone równania matematyczne, aby pokazać, jak zachowują się materiały, z których zbudowany jest żagiel, w skali nanometrowej.Igor Bargatin, współautor opracowania i profesor inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Pensylwanii, wyjaśnia w komunikacie prasowym. Oprócz tego szczególnego kształtu ważną kwestią jest również sposób organizacji elementów żagla, aby nie uległ on rozpadowi. Naukowcy uważają, że konieczne jest określenie położenia materiałów, takich jak tkanina ubioru, a tym samym opróżnienia otworów w środku, w zależności od długości fali światła, a także podciśnienia szwów elementów żagla w porównaniu do ciepła. fale. Poprawiając „teksturę” żagla, pozwala to na szybsze nabieranie prędkości, a tym samym wystawia go na działanie wiązki laserowej przez krótszy czas, zmniejszając ryzyko uszkodzenia przez ciepło.

Dla inżynierów ten model to prawdziwy przełom w projekcie „Breakthrough Starshot”. „Kilka lat temu nawet myślenie o tego rodzaju koncepcji wydawało się naciągane. Dziś mamy nie tylko prosty model, ale model zaprojektowany z prawdziwych materiałów, które można wykorzystać w naszych laboratoriach. Planujemy teraz stworzyć konstrukcje podobne do żagla, które chcemy wdrożyć na małą skalę i przetestujemy to za pomocą laserów o dużej intensywności”, podsumowuje Deep Jariwala, profesor Uniwersytetu Pensylwanii, który również pracuje nad tym projektem.