Новые фотонные кристаллы сделали световые паруса для полёта к Альфе Центавра в 9000 раз дешевле

В рамках амбициозного проекта Breakthrough Starshot, поставившего своей целью отправку нанозондов к системе Альфа Центавра в течение двух десятилетий, достигнут заметный прогресс в создании световых парусов. Учёные предложили новую методику проектирования фотонных кристаллов, основанную на использовании нейросетевой топологической оптимизации, благодаря которой были разработаны масштабируемые структуры с выдающимися характеристиками и снижена стоимость их производства в тысячи раз.

Основная задача проекта заключается в использовании световых парусов, разгоняемых мощным лазером, которые должны достичь пятой части скорости света. Главным барьером была необходимость создания легких и высокоотражающих структур, способных сохранять эффективность при масштабе. Исследователи применили подход, основанный на оптимизации: алгоритмы машинного обучения использовались для поиска идеальных структур паруса, а физические модели проверяли их эффективность. Это открыло возможность для разработки фотонных кристаллов с высокой отражательной способностью и низкой себестоимостью.

Проанализировав различные конфигурации, исследователи установили, что пентагональная решётка значительно снижает время разгона и стоимость запуска, а также сокращает затраты на производство на порядки. Фотонный кристалл, разработанный по этой технологии, использует несколько размеров и форм наноотверстий, что способствует широкополосному отражению, необходимому для нивелирования доплеровского сдвига, возникающего при разгоне паруса до скоростей, близких к световым.

Созданный прототип из нитрида кремния (SiN) имеет параметры 60 × 60 мм² при толщине 200 нм и содержит свыше миллиарда наноструктур. Использование этого подхода привело к снижению стоимости на квадратный метр на 9000 раз. Выбор SiN обусловлен его низким оптическим поглощением, лёгкостью, высокой отражательностью и совместимостью с технологиями CMOS-микроэлектроники. Внутреннее напряжение материала гарантирует стабильность мембран, предотвращая деформации.

Если бы для работы с SiN потребовался индивидуальный подход (например, как для графена), стоимость световых парусов возросла бы значительно из-за необходимости перепланировки производственных мощностей. Однако совместимость с CMOS превращает высокотехнологичную наноструктуру в «серийный продукт». SiN — это тот же материал, что используется в производстве компьютерных чипов, что позволяет создавать наноструктуры для парусов на стандартных фабриках, экономя на этом миллионы долларов.

Одним из важных аспектов стала оптимизация минимального размера элемента (MFS), что напрямую влияет на стоимость производственного процесса. Увеличение MFS упрощает изготовление, но необходимо найти компромисс с аэродинамическими параметрами.

Изначально акцент оптимизации был на уменьшении дистанции разгона, но впоследствии сместился к сокращению времени разгона, что и определяет окончательную стоимость запуска. Пентагональная архитектура сохранила преимущества однослойных систем, такие как лёгкость и технологичность, при этом обладая улучшенными отражательными характеристиками.

Измерения спектра фотонного кристалла подтвердили результаты моделирования, что указывает не только на точность симуляционных данных, но и на возможность масштабирования структуры до размеров в несколько метров.

Достижение рекордного соотношения сторон (60 мм к 200 нм) в нанофотонных компонентах открывает новые горизонты как для межзвёздных миссий, так и для других применений — от лазерной связи до высокоточной оптики. Учёные считают, что предложенная методология может стать основой для разработки других метаматериалов, где важно соблюдение баланса между функциональностью и экономической эффективностью.

Этот прорыв в разработке световых парусов приближает реализацию одной из самых амбициозных идей нашего времени. Следующим шагом станет интеграция созданных фотонных кристаллов в полноразмерные паруса и проверка их в условиях, моделирующих межзвёздный полёт.

 

Источник: iXBT