Vele luminose basate su nanotecnologie scalabili sviluppate per l'esplorazione spaziale di prossima generazione

24 Marzo 2025

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presso l'Università di Tecnologia di Delft

I ricercatori di TU Delft e della Brown University hanno sviluppato vele spaziali basate su nanotecnologie scalabili che potrebbero supportare futuri progressi nell'esplorazione spaziale e nella fisica sperimentale. La loro ricerca, pubblicata su Nature Communications, introduce nuovi materiali e metodi di produzione per creare i riflettori su larga scala più sottili mai realizzati.

Le vele spaziali sono strutture ultra-sottili e riflettenti che utilizzano la pressione della radiazione guidata da laser per spingere veicoli spaziali a velocità elevate. A differenza della nanotecnologia convenzionale, che miniaturizza dispositivi in tutte le dimensioni, le vele spaziali seguono un approccio diverso. Sono nanoscalari nello spessore - circa 1/1000 dello spessore di un capello umano - ma possono estendersi a fogli con grandi dimensioni.

Realizzare una vela spaziale come previsto nell'Iniziativa Breakthrough Starshot richiederebbe tradizionalmente 15 anni, principalmente perché è coperta da miliardi di buchi nanoscala. Utilizzando tecniche avanzate, il team, compreso il primo autore e dottorando Lucas Norder, ha ridotto questo processo a un solo giorno.

'Non si tratta solo di un altro passo verso la riduzione delle dimensioni; è un modo completamente nuovo di pensare alla nanotecnologia,' spiega il Dr. Richard Norte, professore associato presso TU Delft. 'Stiamo creando dispositivi ad alto rapporto di aspetto che sono più sottili di qualsiasi cosa realizzata in precedenza ma che coprono dimensioni simili a quelle di strutture massive.' Il prototipo attuale misura 60mm x 60mm ed è spesso 200 nanometri, coperto da miliardi di buchi nanometrici. Questo rappresenta un significativo passo avanti nella fabbricazione in scala di vele spaziali.

'Altri recenti progressi nel settore, come quelli del Caltech, hanno dimostrato un controllo nanometrico sulle strutture delle vele a scale micrometriche, mentre il nostro approccio scala a strutture di dimensioni centimetriche mantenendo una precisione di fabbricazione nanometrica.' Se ingrandito, il velo spaziale realizzato da Norte e colleghi si estenderebbe per la lunghezza di sette campi di calcio con uno spessore di soli un millimetro.

'Non è solo l'alto rapporto di aspetto che rende speciale questo materiale; è la combinazione simultanea tra scala larga e nanoscopica nello stesso materiale che lo rende leggero e riflettente,' conclude Norte.

Il team ha combinato tecniche di ottimizzazione topologica neurale all'avanguardia con metodi di fabbricazione all'avanguardia per raggiungere questo obiettivo. 'Abbiamo sviluppato un nuovo inciso basato su gas che ci consente di rimuovere delicatamente il materiale sotto le vele, lasciando solo la vela,' spiega Norte. 'Se le vele si rompono, è più probabile durante la produzione. Una volta sospese, sono effettivamente molto robuste. Queste tecniche sono state sviluppate in modo unico presso TU Delft.'

'Il nostro lavoro combina gli ultimi sviluppi nell'ottimizzazione per esplorare nuovi modi per trovare design non intuitivi,' afferma il Dr. Miguel Bessa della Brown University. 'Unendo reti neurali all'ottimizzazione topologica, abbiamo creato design che spingono i limiti di ciò che è possibile sia nella nanofotonica sia nella produzione su larga scala.'

Le vele spaziali proposte sfruttano la pressione della radiazione guidata da laser per accelerare a velocità sorprendenti, consentendo un rapido viaggio interplanetario. Ad esempio, sonde spinte da vele spaziali avanzate potrebbero, in teoria, raggiungere Marte nel tempo necessario per arrivare la posta internazionale.

Anche se tali distanze immense rimangono un obiettivo per il futuro, studi recenti hanno dimostrato che vele simili possono attualmente essere spinte su distanze anche picometriche. Norte e il suo team stanno ora preparando esperimenti per spingere le nuove vele a membrana su distanze misurate in centimetri contro la gravità terrestre. 'Potrebbe non sembrare molto, ma sarebbe 10 miliardi di volte più lontano di qualsiasi cosa spinta con laser finora.'

Oltre all'esplorazione spaziale, questi materiali aprono nuove possibilità per la fisica sperimentale. La capacità di accelerare masse a velocità elevate offre opportunità senza precedenti per studiare le interazioni luce-materia e la fisica relativistica a scale macroscopiche.

'Questa ricerca posiziona Delft all'avanguardia nella scienza dei materiali nanoscopici,' aggiunge Norte. 'Ora che possiamo creare queste vele spaziali così grandi come i semiconduttori possono fare pastiglie, stiamo esplorando cosa possiamo fare con le attuali capacità nella nanofabbricazione, nei laser e nel design.'

Per certi versi, penso che potrebbe essere altrettanto eccitante delle missioni al di là del sistema solare. Ciò che mi sembra straordinario è che la creazione di questi sottili materiali ottici può aprire una finestra su domande fondamentali come; quanto velocemente possiamo effettivamente accelerare un oggetto. La nanotecnologia dietro a questa domanda è certamente destinata ad aprire nuove vie di ricerca interessanti.

Attualmente, ci vorrebbero circa 10.000 anni per i nostri razzi più veloci per raggiungere persino la stella più vicina al di fuori del sistema solare. L'Iniziativa Breakthrough Starshot, che unisce migliaia di ricercatori, cerca di ridurre quel viaggio a soli 20 anni.

Sviluppando astronavi ultra-leggere propulse da laser delle dimensioni di microchip, il progetto immagina la prima esplorazione interstellare dell'umanità al di là del sistema solare. Starshot è stata lanciata da Yuri Milner e Stephen Hawking nel 2016.

Maggiori informazioni: Lucas Norder et al, Specchi a cristallo fototonici pentagonali: vele luminose scalabili con accelerazione potenziata tramite ottimizzazione della topologia neurale, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57749-y

Informazioni sulla rivista: Nature Communications

Fornito da Università tecnica di Delft