Článek
Článek byl přeložen a upraven z tiskové zprávy Kimm Fesenmaierové z Kalifornského technologického institutu
A protože si vědci dali za cíl, že jejich budoucí technologie plachtění musí překonat nejen rychlost, jakou cestují dnešní rakety, ale také musí umět překonat obrovské vzdálenosti mimo naši hvězdnou soustavu.
Nejběžnější teoretická verze takového plachtění spočívá ve využití energie ze Slunce. Co když ale Slunce zmizí z jejího dosahu?
Aby plachta posunula kosmickou loď rychlostí, které lidé nikdy předtím nedosáhli, místo světla ze Slunce, vědci použili sílu laseru. Jeden takový projekt testuje společnost Průlomové iniciativy Starshot prostřednictvím vědců z Caltechu.
Laboratorní testy
Obecný koncept pohánění něčeho světlem se zdá být jednoduchý, ale je tady zádrhel v detailech. Vědci totiž zatím netuší, jak by to fungovalo ve vesmíru, protože laser a kosmická loď se musí synchronizovat na miliony kilometrů. Pokud by se byť jen nepatrně posunul úhel, na který budou nastavené, došlo by k selhání celé mise. Buď proto, že pohon (plachta) skončí v jiné části galaxie, nebo laser neposkytne dostatek energie. Pak by kosmická loď i s posádkou zůstali napospas vesmíru.
Jediným způsobem jak zjistit, že k takové katastrofě nedojde, je testování v laboratoři. Ale důležité je také pochopení toho, jak bude fungovat fyzika ultratenké světelné plachty na tak velké vzdálenosti, protože je to opravdu obtížné. Vědci z Caltechu, pod vedením Liorema Michaelima a Ramona Gaoema, vytvořili vzorek pro nastavení testování této fyziky.
Kosmická loď opatřená světelnou plachtou bude cestovat rychleji, než kterákoli předchozí. Měla by velký potenciál otevřít mezihvězdné vzdálenosti pro přímý průzkum vesmíru a planet, které jsou nyní dostupné pouze vzdálenému pozorování,
Herry Atwater a jeho kolegové z Caltechu vyvinuli platformu pro charakterizaci ultratenkých membrán, které by mohly být použité k výrobě těchto světelných plachet. Jejich testovací platforma zahrnuje způsob měření síly, kterou lasery působí na plachty a která bude použitá k vyslání kosmické lodi, aby se řítila vesmírem.
S vývojem membrány, která by mohla být nakonec použitá jako světelná plachta, existuje řada problémů. Musí odolávat teplu, držet tvar pod tlakem a pohybovat se stabilně podél osy laserového paprsku, ale předtím, než vědci začnou stavět takovou plachtu, musí pochopit, jak materiály reagují na tlak zpásobený zářením z laserů.
Práce s mikrovzorečkem
Obrázky, poskytnuté jako součást tiskové zprávy v EurekAlert, ukazují malý čtvercový vzorek lehké plachty připojený k větší, vyhloubené čtvercové membráně, sadou čtyř pružin připojených v rozích vzorku. Co obrázky nezachycují dobře, je právě to, jak malý je vzorek, který má pouhých 40 mikronů na 40 mikronů. To není zrovna moc, když si představíme, že finální velikost plachy má mít 10 m2.
Konečným cílem projektu světelné plachty je řídit volně zrychlující světelnou plachtu o ploše 10 metrů čtverečních a tloušťce 100 nm nebo méně. V tomto prvním experimentálním kroku použil tým Caltechu připoutanou miniaturní světelnou plachtu v laboratoři k měření tlaku přímého záření z laserového paprsku.
Mikroskopický snímek „miniaturní trampolíny“ týmu Caltech, malé světelné plachty přichycené v rozích pro přímé měření radiačního tlaku.
Vědecký tým z Caltechu vyvinul platformu pro charakterizaci ultratenkých membrán, které by jednoho dne mohly být použité k výrobě světelných plachet. Jejich testovací platforma zahrnuje způsob, jak měřit sílu, kterou lasery působí na plachty a která by jednou mohla být použita k vyslání kosmické lodi řítící se vesmírem, jako pohonu.
Ale je to jen začátek. Testovací zařízení přineslo vědcům několik zajímavých technických výzev. Vzorem má totiž tloušťku pouhých 50 nm a je vyrobený z nitridu křemíku. Pružiny, které ho drží jsou vyrobené ze stejného materiálu a celkové nastavení „vypadá jako mikroskopická trampolína.
Když byl vzorek vystavený argonovému laseru, vibroval. Vědci věděli, že tato vibrace byla způsobena především teplem z laseru a potřebovali odlišit vibraci způsobenou zahříváním od síly, kterou působí samotné světlo. Aby tak učinili, obrátili se na nástroj běžně používaný při průzkumu vesmíru, interferometr.
Nutnost udržet spojení po celou dobu letu
V tomto případě se jednalo o typ známý jako interferometr se společnou cestou. V tomto nastavení se dva laserové paprsky interferometru pohybují v podstatě po stejné dráze, a proto se setkávají se stejnými podmínkami prostředí. Když jeden laser zasáhne pohybující se objekt a druhý narazí na stacionární, lze rozdíl v pohybu odečíst, aby se vymazal signál, který hledá experimentátor, v tomto případě tlak záření samotného laseru.
Dalším krokem bylo integrovat interferometr s mikroskopem a vakuovou komorou, což nakonec umožnilo měření až na úroveň pikometru (pokud jde o posun vzorku). Shromáždili také informace o mechanických vlastnostech pružin z nitridu křemíku používaných k udržení vzorku na místě.
Jakmile bylo nastavení testu potvrzeno, dalším krokem bylo posunout úhel, jako by tomu bylo v reálném světě. V tomto případě pouze naklonili laserový paprsek, ale přesto zaznamenali významnou ztrátu tlačné síly. Předpokládali, že světlo dopadající na okraj plachty se ohýbá, což způsobuje ztrátu síly, která by jinak byla použitá k tlačení plachty.
Toto testovací nastavení umožní výzkumníkům vyzkoušet, jak se vyhnout takovému osudu pro dlouhodobou misi závislé na pohonu pomocí lehké plachty. Vědci už mají nějaké představy o integraci nanomateriálů a samoopravných sil, které by umožnily lehké plachtě automaticky se vrátit zpět na svou optimální dráhu. Ale jakýkoli takový pokrok je ještě daleko.
Vědecká studie byla publikovaná v časopise Nature Photonics. Hlavními autory článku jsou Ph. D. Lior Michaeli a student v oboru aplikované fyziky Ramon Gao, oba z Caltechu.
