Ближайшая к нам звездная система Альфа Центавра расположена на расстоянии более 4 световых лет. Преодолеть его поможет лазерный световой парус. Но для его создания нужны уникальные материалы и технологии — пишет « Hi-Tech_Mail.ru ».

Автор Hi-Tech Mail

Идея путешествия в межзвездном пространстве на космическом корабле, приводимом в движение ультратонкими световыми парусами, может показаться похожей на сюжет научно-фантастических романов. Но этой идее посвящен проект «Звездный прорыв» (Breakthrough Starshot Initiative), запущенный в 2016 году Стивеном Хокингом и Юрием Мильнером.
Концепция заключается в использовании лазеров для приведения в движение прикрепленных к световым парусам миниатюрных космических зондов для развития сверхбыстрых скоростей, сравнимых со скоростью света, и, в конечном счете, достижения ближайшей к нам звездной системы, Альфы Центавра. Расстояние до Альфы Центавра от Земли составляет «всего» 4,365 световых года.
Калифорнийский технологический институт возглавляет научное сообщество, работающее над реализацией этой смелой идеи.
«Световой парус будет перемещаться быстрее, чем любой существующий космический аппарат, и в конечном итоге может покрыть межзвездные расстояния для непосредственного исследования объектов, которые сейчас доступны только для дистанционного наблюдения», — объясняет Гарри Этуотер, профессор прикладной физики и материаловедения в Калифорнийском технологическом институте.
Этуотер и его коллеги разработали технологию определения характеристик ультратонких мембран, которые однажды могут быть использованы для изготовления световых парусов. Их испытательная платформа способна измерять силы, с которой лазер воздействует на космический парус. Эксперименты команды знаменуют собой первый шаг в переходе от теоретических расчетов к реальным поискам и тестированию подходящих материалов.
«При разработке мембраны, которую в конечном итоге можно было бы использовать в качестве фотонного паруса, возникает множество проблем. Она должна выдерживать высокую температуру, сохранять форму под давлением и устойчиво перемещаться вдоль оси лазерного луча», — говорит Гарри Этуотер. «Прежде чем мы сможем приступить к созданию такого паруса, нам нужно понять, как материалы реагируют на воздействие лазерного излучения. Мы хотели знать, можем ли мы определить силу, действующую на мембрану, просто измеряя параметры ее движения».
Статья с описанием экспериментов опубликована в журнале Nature Photonics. Ведущими авторами статьи являются аспиранты Лиор Михаэли и Рамон Гао, оба изучают прикладную физику в Калифорнийском технологическом институте.
Ученые поставили целью охарактеризовать поведение свободно движущегося светового паруса. В качестве первого шага команда создала миниатюрный световой парус, который был закреплен по углам более крупной мембраны.
Исследователи использовали оборудование из Института нанотехнологий Кавли в Калифорнийском технологическом институте и оборудование электронно-лучевой литографии. Мембрану из нитрида кремния толщиной всего 50 нм они превратили в нечто похожее на микроскопический батут.

Мини-батут представляет собой квадрат размером 40 на 40 микрон, подвешенный на пружинах из нитрида кремния. Ученые воздействовали на мембрану лучом аргонового лазера с длиной волны в видимом диапазоне. Цель состояла в том, чтобы измерить световое давление, которое испытывал миниатюрный фотонный парус, измеряя параметры колебаний батута вверх и вниз.
«Но когда парус привязан, картина с точки зрения физики одна, а когда он движется в космосе, она меняется», — говорит соавтор исследования Лиор Михаэли.
Парус на пружинках при попадании на него луча света вибрирует как механический резонатор. Основная проблема заключается в том, что эти колебания отчасти вызываются теплом от лазерного луча, которое может маскировать прямое воздействие светового давления.
Михаэли с гордостью говорит, что команде удалось превратить эту проблему в преимущество: «Мы не только избежали нежелательных эффектов нагрева, но и использовали то, что мы узнали о поведении устройства, для создания нового способа измерения силы света».
Команда создала специальный интерферометр. Движение объекта можно обнаружить с помощью интерференции двух лазерных лучей, один из которых попадает на вибрирующий образец, а другой фиксирует неподвижное положение. Однако на показания интерферометра помимо тепла неизбежно влияют внешние помехи, шум и вибрация работающего поблизости оборудования или даже разговоры людей.
Инженеры встроили интерферометр в микроскоп, который они использовали при создании миниатюрного паруса, и поместили устройство в специально изготовленную вакуумную камеру. Так они смогли отсеять помехи и достоверно измерить колебания паруса на уровне пикометров (триллионные доли метра), а также оценить его механическую жесткость — то есть, насколько сильно деформировались пружины, когда парус испытывал воздействие лазерного излучения.
Поскольку исследователи понимали, что световой парус в космосе не всегда будет оставаться строго перпендикулярным прямой от лазерного источника на Земле, они наклонили луч, чтобы имитировать реалии космического путешествия, и снова измерили силу, с которой лазер толкал мини-парус.
Сила воздействия при таких обстоятельствах оказалась ниже ожидаемой. В своей работе исследователи выдвигают гипотезу, что часть луча, направленного под углом, рассеивается, не выполнив свою работу.
В будущем команда надеется разработать специальные метаматериалы, которые будут обладать уникальными свойствами и помогут управлять световым парусом в межзвездном пространстве, заставляя его поворачивать из стороны в сторону и двигаться по криволинейным траекториям.
«Мы хотим посмотреть, сможем ли мы использовать эти наноструктурированные поверхности для придания световому парусу отрицательного ускорения или крутящего момента. Сможет ли парус, выйдя из-под контроля лазерного луча, вернуться обратно», — говорит Гао.
Идею использовать световое давление в качестве движущей силы летательных аппаратов впервые сто лет назад высказал советский ученый и изобретатель, пионер отечественного ракетостроения Фридрих Артурович Цандер (1887-1933). В 1993 году на российском корабле «Прогресс» в рамках проекта «Знамя-2» была испытана парусная установка, работающая на солнечном свете. Первым в мире автономным солнечным парусником считается японский аппарат ИКАРОС, отправленный в 2010 году к Венере. Недавно мы рассказывали о развернутом в космосе фотонном паруснике НАСА.

Но во всех этих проектах источником движущего излучения является Солнце. Световое давление естественного света уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Для межзвездных полетов нужен концентрированный луч, который может обеспечить только лазер.