Когда речь заходит о дальних космических полетах, ограничения скорости современных ракет становятся очевидными. Даже самые мощные химические двигатели не могут преодолеть межзвездные расстояния за разумные сроки. Но что если можно было бы разогнать космический корабль до огромных скоростей, используя силу света? Именно этот подход изучают ученые Калифорнийского технологического института (Калтех), работая над лазерными световыми парусами — технологией, которая может однажды позволить отправлять космические аппараты к другим звездным системам.
Концепция светового паруса была предложена еще в 60-х годах XX века, но только современные нанотехнологии и лазерные системы делают возможным ее практическое применение. В 2016 году астрофизик Стивен Хокинг и предприниматель Юрий Мильнер инициировали проект Breakthrough Starshot — амбициозную программу по созданию миниатюрных межзвездных зондов, разгоняемых мощными лазерами. Калтех занимает ключевую роль в этой инициативе, исследуя новые материалы и разрабатывая методы стабилизации световых парусов.
Исследования в области световых парусов требуют решения множества технических задач. Мембрана, играющая роль паруса, должна быть ультратонкой, прочной и устойчивой к воздействию интенсивного лазерного излучения. Кроме того, она должна сохранять свою форму и управляемость, чтобы не отклоняться от курса. Ученые Калтеха разработали инновационный подход к тестированию таких материалов. Они создали миниатюрную версию светового паруса — мембрану из нитрида кремния толщиной всего 50 нанометров, напоминающую батут. Этот микроскопический элемент позволяет измерять давление излучения лазера и анализировать поведение мембраны под его воздействием.
Основные этапы разработки:
- Создание ультратонкой мембраны из наноматериалов с использованием электронно-лучевой литографии.
- Тестирование механических свойств паруса и его устойчивости к лазерному излучению.
- Разработка методов стабилизации движения и предотвращения нежелательных колебаний.
- Анализ поведения паруса при изменении угла падения лазерного луча.
Эксперименты показали, что световой парус под действием лазера ведет себя как механический резонатор, совершая колебания. Однако эти вибрации вызваны не только давлением излучения, но и нагревом мембраны. Чтобы исключить влияние тепловых эффектов, исследователи применили интерферометрию — метод, позволяющий измерять движения паруса с точностью до пикометра (триллионной доли метра). Это дало возможность более точно определять силы, действующие на световой парус, и разрабатывать стратегии управления его движением.
Будущие перспективы использования лазерных световых парусов включают:
- Разработку метаматериалов, способных управлять взаимодействием паруса со светом.
- Оптимизацию конструкции для увеличения устойчивости и управляемости.
- Создание системы динамического контроля положения паруса в лазерном луче.
- Проведение тестов в условиях, имитирующих реальный космос.
Исследования Калтеха открывают двери к новой эре космических путешествий. Если технология световых парусов будет успешно реализована, то миниатюрные зонды смогут достигать ближайших звездных систем в течение нескольких десятилетий, а не тысяч лет, как при использовании современных двигателей. Это позволит изучать экзопланеты, собирать данные о далеких уголках галактики и, возможно, в будущем отправлять более крупные миссии за пределы Солнечной системы. Прорыв в этой области делает межзвездные путешествия не просто мечтой, а вполне достижимой целью для человечества.
А затем «Добавить на главный экран».