Метаповерхности обеспечили управление световыми парусами без использования двигателей

Концепция светового паруса, использующего давление фотонов для разгона, долгое время считалась наиболее перспективным решением для межзвездных перелетов. Однако традиционные модели страдают от критического недостатка: световой поток толкает аппарат лишь в одном направлении, а для корректировки курса требуются сложные механические системы или трудоемкая перенастройка лазерного источника.

Группа исследователей, объединившая экспертов в области нанотехнологий, фотоники и аэрокосмических систем из Техасского и Северо-Восточного университетов, предложила революционную альтернативу: перенести функции управления движением непосредственно в физическую структуру поверхности паруса.

Научный коллектив возглавил Шоуфэн Лань, специалист на стыке прикладной механики и материаловедения. В разработке принимал участие профессор Цзы Цзин Вонг, эксперт в аэрокосмической инженерии, ранее сотрудничавший с проектом Breakthrough Starshot. Практическую реализацию экспериментальной базы и оптические замеры обеспечили инженеры, в частности Каушик Кудтаркар. Проект получил поддержку Национального научного фонда США и Сандийских национальных лабораторий, что подтверждает его высокий прикладной потенциал.

Суть инновации заключается в использовании «метафотонных сил». Это не просто эффект светового давления, а управляемая тяга, возникающая при изменении импульса фотонов, проходящих через сложную микроструктурированную поверхность. Если обычное зеркало лишь отражает свет, обеспечивая толчок вперед, то метаповерхность перенаправляет поток под заданным углом, генерируя вектор силы одновременно в двух плоскостях: вдоль паруса и перпендикулярно ему.

Таким образом, отпадает необходимость в подвижных деталях — управление траекторией полета заложено в саму геометрию поверхности.

Технически решение базируется на создании фазового градиента. Поверхность паруса структурирована таким образом, чтобы создавать «пилообразный» профиль, обеспечивающий точный фазовый сдвиг выходящего света. Это предопределяет направление преломления и создает компенсирующую реактивную силу — ту самую метафотонную тягу.

Функции управления «записаны» в массивы наноструктур. Суперячейки, состоящие из нескольких столбиков высотой около 500 нм, модулируют фазовую задержку света в зависимости от радиуса каждого элемента. Повторяющийся паттерн создает градиент, который детерминированно задает вектор тяги.

По сути, такую архитектуру можно охарактеризовать как «оптическое программное обеспечение»: вместо манипуляций внешним лазером достаточно внести изменения в топологию поверхности — и аппарат будет менять скорость или направление полета.

В ходе экспериментов применялась кремниевая метаповерхность на подложке из диоксида кремния. Важным достижением стал переход на ближний инфракрасный диапазон (около 1000 нм): на этой длине волны кремний поглощает менее 10% излучения, что эффективно предотвращает перегрев — главную проблему ранних прототипов, где наблюдалось нежелательное поглощение и деформация структуры.

Результаты измерений подтвердили высокую предсказуемость системы: объект двигался с постоянным ускорением, при этом вертикальный вектор тяги превосходил горизонтальный в 3,5 раза. Конфигурация из трех элементов в суперячейке позволила достичь угла преломления в 40° при горизонтальной скорости около 7 мкм/с.

Система демонстрирует исключительную стабильность: благодаря симметричной структуре и линейной поляризации света, крутящий момент отсутствует. Сила прикладывается строго через центр масс, что предотвращает неконтролируемое вращение, свойственное многим методам оптического захвата.

Авторы исследования подчеркивают, что предложенный механизм легко масштабируется, так как эффективность зависит от физических свойств метаповерхности, а не от габаритов объекта. Это открывает возможности для создания как микроскопических систем для работы в жидких средах, так и крупномасштабных парусов для межзвездных экспедиций.

Впереди предстоит большая инженерная работа: испытания в глубоком вакууме, тестирование радиационной стойкости и разработка технологий крупносерийного производства метаповерхностей. Однако само доказательство концепции управляемого движения без перегрева подтверждает: метафотонные паруса могут стать полноценным инструментом маневрирования в космическом пространстве.

Источник: iXBT