Skalierbare nanotechnologiebasierte Lightsails entwickelt für die Weltraumerkundung der nächsten Generation.

24. März 2025

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von Technische Universität Delft

Forscher der TU Delft und der Brown University haben skalierbare Nano-Technologie-basierte Leichtsegel entwickelt, die zukünftige Fortschritte in der Weltraumforschung und experimentellen Physik unterstützen könnten. Ihre Forschung, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Communications, stellt neue Materialien und Herstellungsmethoden vor, um die dünnsten großflächigen Reflektoren herzustellen, die je entwickelt wurden.

Leichtsegel sind ultradünne, reflektierende Strukturen, die Laserstrahl-getriebenen Strahlungsdruck nutzen, um Raumfahrzeuge mit hohen Geschwindigkeiten voranzutreiben. Im Gegensatz zur herkömmlichen Nanotechnologie, die Geräte in allen Dimensionen verkleinert, verfolgen Leichtsegel einen anderen Ansatz. Sie sind nanoskalig in der Dicke – etwa 1/1000 der Dicke eines menschlichen Haares – können sich jedoch zu Blättern mit großen Dimensionen erstrecken.

Die Herstellung eines Leichtsegels, wie es für die Breakthrough Starshot Initiative konzipiert ist, würde traditionell 15 Jahre dauern, hauptsächlich weil es mit Milliarden von nanoskaligen Löchern bedeckt ist. Mit fortschrittlichen Techniken hat das Team, einschließlich des Erstautors und Doktoranden Lucas Norder, diesen Prozess auf einen Tag reduziert.

„Das ist nicht nur ein weiterer Schritt hin zur Verkleinerung der Dinge; es ist eine vollkommen neue Denkweise in Bezug auf die Nanotechnologie“, erklärt Dr. Richard Norte, außerordentlicher Professor an der TU Delft. „Wir schaffen hochaspektverhältnis Geräte, die dünner sind als alles bisher Konstruierte, aber Dimensionen von massiven Strukturen aufweisen.“ Der aktuelle Prototyp misst 60mm x 60mm und ist 200 Nanometer dick, bedeckt mit Milliarden nanometergroßen Löchern. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der großflächigen Leichtsegelherstellung dar.

„Andere jüngste Fortschritte in diesem Bereich, wie beispielsweise von Caltech, haben eine nanoskalige Kontrolle über Segelstrukturen auf Mikrometerebene gezeigt, während unser Ansatz sich auf Zentimeter-große Strukturen erstreckt und gleichzeitig die nanoskalige präzise Fertigung beibehält.“ Wenn vergrößert, würde das Leichtsegel, das von Norte und Kollegen erstellt wurde, sich über die Länge von sieben Fußballfeldern mit einer Dicke von nur einem Millimeter erstrecken.

„Es ist nicht nur das hohe Aspektverhältnis, das dieses Material besonders macht; es ist die gleichzeitige Kombination von großflächiger und nanoskaliger Struktur im gleichen Material, die es leicht und reflektierend macht“, sagt Norte.

Das Team kombinierte modernste neuronale Topologie-Optimierungstechniken mit innovativen Herstellungsmethoden, um dieses Ergebnis zu erzielen. „Wir haben eine neue gasbasierte Ätzung entwickelt, die es uns ermöglicht, das Material unter den Segeln delikat zu entfernen, um nur das Segel zurückzulassen“, erklärt Norte. „Wenn die Segel brechen, geschieht es höchstwahrscheinlich während der Herstellung. Sobald die Segel suspendiert sind, sind sie tatsächlich ziemlich robust. Diese Techniken wurden einzigartig an der TU Delft entwickelt.“

„Unsere Arbeit verbindet die neuesten Fortschritte in der Optimierung, um neue Wege zu finden, ungewöhnliche Designs zu entdecken“, sagt Dr. Miguel Bessa von der Brown University. „Durch die Kombination von neuronalen Netzen mit Topologie-Optimierung haben wir Designs erstellt, die die Grenzen des Möglichen sowohl in der Nanophotonik als auch in der großflächigen Fertigung erweitern.“

Die vorgeschlagenen Leichtsegel nutzen den mit Laserstrahlen angetriebenen Strahlungsdruck, um auf erstaunliche Geschwindigkeiten zu beschleunigen, und ermöglichen so eine schnelle interplanetare Reise. Beispielsweise könnten Sonden, die durch entwickelte Leichtsegel angetrieben werden, in der Theorie den Mars in der Zeit erreichen, die für den internationalen Postversand benötigt wird.

Während solch große Entfernungen noch ein Ziel für die Zukunft darstellen, haben jüngste Studien gezeigt, dass ähnliche Leichtsegel derzeit über Distanzen von so kleinen Größen wie Pikometern beschleunigt werden können. Norte und sein Team bereiten nun Experimente vor, um die neuen Membransegel über Entfernungen von Zentimetern gegen die Schwerkraft der Erde zu bewegen. „Es mag nicht viel klingen, aber das wäre 10 Milliarden Mal weiter als alles, was bisher mit Laserstrahlen angetrieben wurde.“

Über die Weltraumforschung hinaus eröffnen diese Materialien neue Möglichkeiten für die experimentelle Physik. Die Fähigkeit, Massen auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen, bietet beispiellose Chancen, Licht-Materie-Wechselwirkungen und relativistische Physik auf makroskopischen Skalen zu erforschen.

„Diese Forschung platziert Delft an der Spitze der Nanoskalen Materialwissenschaft“, fügt Norte hinzu. „Jetzt, da wir diese Leichtsegel so groß machen können wie Halbleiter-Wafer, untersuchen wir, was wir mit den heutigen Fähigkeiten in der Nanofertigung, Laser und Design erreichen können.“

'In gewisser Weise glaube ich, dass es genauso aufregend sein könnte wie Missionen jenseits des Sonnensystems. Was für mich bemerkenswert ist, ist, dass die Herstellung dieser dünnen optischen Materialien ein Fenster zu grundlegenden Fragen öffnen kann, wie zum Beispiel: Wie schnell können wir tatsächlich ein Objekt beschleunigen. Die Nanotechnologie hinter dieser Frage wird sicherlich neue spannende Forschungszweige eröffnen.'

Aktuell würde es etwa 10.000 Jahre dauern, bis unsere schnellsten Raketen sogar den nächsten Stern außerhalb des Sonnensystems erreichen. Die Breakthrough Starshot Initiative, die Tausende von Forschern vereint, strebt an, diese Reise auf nur 20 Jahre zu verkürzen.

Indem ultraleichte, lasergetriebene Raumschiffe in Mikrochip-Größe entwickelt werden, sieht das Projekt die erste interstellare Erkundung der Menschheit jenseits des Sonnensystems vor. Starshot wurde 2016 von Yuri Milner und Stephen Hawking gestartet.

Weitere Informationen: Lucas Norder et al, Pentagonale photonische Kristallspiegel: skalierbare Lichtsegel mit verbesserter Beschleunigung durch Neuronale Topologieoptimierung, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57749-y

Journal Informationen: Nature Communications

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