Создан первый световой парус для межзвёздных перелётов, способный развить 20% скорости света

Исследовательская группа из Пенсильванского университета, Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе смогла воплотить амбициозную концепцию лазерных межзвёздных перелётов из области теоретической науки в реальные лабораторные образцы.

Учёные сконструировали экспериментальный образец многослойного наноламинатного светового паруса из оксида алюминия и дисульфида молибдена, который демонстрирует высокую степень отражения и превосходный теплоотвод. Разработка успешно разрешает давнее противоречие между предельной лёгкостью, оптическими характеристиками и термической выносливостью материалов, которые ранее считались несовместимыми. Подробности испытаний и сравнительный анализ параметров опубликованы на страницах издания Nature Communications.

Традиционные химические ракетные двигатели затрачивают от 75 до 165 тысячелетий на преодоление расстояния до ближайшей звёздной системы — Альфы Центавра. Проект Breakthrough Starshot предлагает кардинально иное решение: стационарный комплекс наземных лазеров совокупной мощностью 100 гигаватт на Земле направляет мощнейший луч на парус сверхлёгкого зонда весом около одного грамма. Мощный фотонный поток способен разогнать аппарат до одной пятой скорости света (примерно 60 000 километров в секунду) всего за семь минут, благодаря чему космическое путешествие займет не более двух десятилетий.

До настоящего момента материалы, способные выдержать подобные экстремальные нагрузки, попросту отсутствовали. Полотно, поглощающее даже незначительную долю энергии гигаваттного луча, мгновенно испаряется или плавится, тогда как чересчур тонкая мембрана разрывается под колоссальным световым давлением. Для преодоления этого физического баера специалисты спроектировали композитную трёхслойную архитектуру, где каждый элемент выполняет строго отведённую роль.

Фундаментом паруса выступает пласт дисульфида молибдена ($MoS_2$), отличающийся высоким коэффициентом преломления и эффективно отражающий инфракрасные лучи лазера. Эта центральная жила аккуратно зажата между защитными оболочками из ультратонкого оксида алюминия ($Al_2O_3$). Подобная внешняя защита предохраняет уязвимую сердцевину и функционирует в качестве радиатора, оперативно рассеивая избыточное тепло в открытый космос до наступления критического перегрева.

Серьёзным препятствием также выступала механическая неустойчивость полотна. Тончайший наноматериал толщиною в несколько сотен нанометров склонен к деформациям, слипанию и разрывам. Инженерная группа применила технологию гексагонального гофрирования, нанеся на поверхность микроструктурный рисунок в виде пчелиных сот. Используя принципы гофрированного картона, разработчики многократно увеличили жёсткость конструкции на изгиб без утяжеления изделия и предотвратили распространение микродефектов. Более того, подобный подход позволяет полотну переносить критические изгибы с последующим возвращением к исходной форме, что существенно упрощает процесс транспортировки в сложенном состоянии и последующего раскрытия в космосе.

Практические эксперименты продемонстрировали, что масса готовых макетов составляет менее одного грамма на квадратный метр, что примерно в сто раз легче стандартного листа бумаги. При этом полотно отражает свыше половины падающих фотонов и поглощает менее четырёх процентов излучения, результативно трансформируя световую энергию в механическое ускорение.

На сегодняшний день представленный прототип остаётся уникальным решением, способным достичь релятивистских показателей на основе реально зафиксированных, а не теоретически спрогнозированных оптических спектров отражения.

Хотя возведение гигантских массивов наземных лазеров диаметром в 26 километров является задачей отдалённого будущего, созданные нанопаруса находят практическое применение уже сегодня.

Для эволюции экспериментального образца в полноценную межзвёздную систему инженеры намерены сосредоточиться на повышении термической стабильности, масштабировании технологических процессов и укреплении механической прочности. Для защиты от термических перегрузок планируется заменить аморфный оксид алюминия на кристаллический сапфир, опробовать передовые методики осаждения дисульфида молибдена, а также оптимизировать теплоотвод за счёт поверхностной микротекстуры и тестирования альтернативных покрытий. Расширить площадь парусов помогут методы травления и рулонной нанолитографии, применимые в перспективе непосредственно в вакуумной среде околоземной орбиты. Параллельно физикам предстоит детально исследовать эффекты двухфотонного поглощения, рассчитать идеальную толщину плёнок и обеспечить стабильное удержание мембраны в фокусе лазерного луча. В перспективе это откроет возможности для испытания технологии в системах космической связи или отправки научных зондов к Юпитеру всего за четверо суток.

Источник: iXBT