Schalenbare nanotechnologie-gebaseerde lichtzeilen ontwikkeld voor ruimteverkenning van de volgende generatie

24 maart 2025

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

feitengecheckt

door vakgenoten beoordeelde publicatie

betrouwbare bron

nagelezen

door Delft University of Technology

Onderzoekers van TU Delft en Brown University hebben schaalbare lichtzeilen op basis van nanotechnologie ontwikkeld die toekomstige vooruitgang in ruimteverkenning en experimentele natuurkunde zouden kunnen ondersteunen. Hun onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, introduceert nieuwe materialen en productiemethoden om de dunste grootschalige reflectoren ooit te maken.

Lichtzeilen zijn ultradunne, reflecterende structuren die gebruikmaken van met laser aangedreven stralingsdruk om ruimtevaartuigen met hoge snelheden voort te stuwen. In tegenstelling tot conventionele nanotechnologie, die apparaten op alle dimensies verkleint, volgen lichtzeilen een andere benadering. Ze zijn nanoschaal in dikte—ongeveer 1/1000 van de dikte van een mensenhaar—maar kunnen zich uitstrekken tot vellen met grote afmetingen.

Het fabriceren van een lichtzeil zoals bedoeld voor het Breakthrough Starshot Initiative zou traditioneel 15 jaar kosten, voornamelijk omdat het bedekt is met miljarden nanoschaalgaten. Met behulp van geavanceerde technieken heeft het team, met inbegrip van eerste auteur en doctoraatsstudent Lucas Norder, dit proces in één dag weten te verkorten.

'Dit is niet zomaar weer een stap om dingen kleiner te maken; het is een volledig nieuwe manier van denken over nanotechnologie,' legt Dr. Richard Norte, universitair hoofddocent aan TU Delft, uit. 'We creëren hoog-omwentelingsgetal-apparaten die dunner zijn dan wat voorheen ooit kon worden vervaardigd maar dimensies hebben vergelijkbaar met massieve structuren.' Het huidige prototype meet 60mm x 60mm en is 200 nanometer dik, bedekt met miljarden nanogrote gaten. Dit vormt een aanzienlijke stap voorwaarts in de productie van grootschalige lichtzeilen.

'Andere recente ontwikkelingen in het veld, zoals die van Caltech, hebben nanoschaalcontrole over zeilstructuren op micrometerschaal aangetoond, terwijl onze aanpak naar structuren op centimeterschaal schaalt met behoud van nanoschaal precisie in de productie.' Als opgeschaald, zou het door Norte en collega's gemaakte lichtzeil zich uitstrekken over de lengte van zeven voetbalvelden met een dikte van slechts een millimeter.

'Het is niet alleen zijn hoog-omwentelingsgetal dat dit materiaal bijzonder maakt; het is de gelijktijdige combinatie van groot formaat en nanoschaal in hetzelfde materiaal die het licht en reflecterend maakt,' aldus Norte.

Het team heeft state-of-the-art neuronale topologie-optimalisatietechnieken gecombineerd met geavanceerde fabricagemethoden om dit te bereiken. 'We hebben een nieuw gas-gebaseerd etsmiddel ontwikkeld waarmee we het materiaal onder de zeilen zorgvuldig kunnen verwijderen, waardoor alleen het zeil overblijft,' legt Norte uit. 'Als de zeilen breken, gebeurt dit hoogstwaarschijnlijk tijdens de productie. Eenmaal de zeilen zijn opgehangen, zijn ze eigenlijk behoorlijk robuust. Deze technieken zijn uniek ontwikkeld aan de TU Delft.'

'Ons werk combineert de nieuwste ontwikkelingen in optimalisatie om nieuwe manieren te verkennen om onintuïtieve ontwerpen te vinden,' zegt Dr. Miguel Bessa van Brown University. 'Door neurale netwerken te combineren met topologie-optimalisatie hebben we ontwerpen gecreëerd die de grenzen verleggen van wat mogelijk is op zowel nanofotonica- als grootschalige productiegebied.'

De voorgestelde lichtzeilen maken gebruik van met laser aangedreven stralingsdruk om te versnellen naar verbazingwekkende snelheden, waardoor snelle interplanetaire reizen mogelijk worden. Zo zouden sondes voortgestuwd door ontwikkelde lichtzeilen in theorie Mars kunnen bereiken in de tijd die het duurt voor internationale post om aan te komen.

Hoewel dergelijke enorme afstanden een doel blijven voor de toekomst, hebben recente studies aangetoond dat vergelijkbare lichtzeilen momenteel kunnen worden voortgestuwd over afstanden zo klein als picometers. Norte en zijn team bereiden nu experimenten voor om de nieuwe membraanzeilen over afstanden gemeten in centimeters tegen de zwaartekracht van de aarde in beweging te zetten. 'Het klinkt misschien niet als veel, maar dit zou 10 miljard keer verder zijn dan wat tot nu toe met lasers is voortgestuwd.'

Naast ruimteverkenning openen deze materialen nieuwe mogelijkheden voor experimentele natuurkunde. De mogelijkheid om massa's te versnellen tot hoge snelheden biedt ongekende kansen om licht-materie-interacties en relativistische fysica op macroscopische schalen te bestuderen.

'Dit onderzoek plaatst Delft aan de top van de nanoschaal materiaalwetenschap,' voegt Norte toe. 'Nu we deze lichtzeilen zo groot als halfgeleiders kunnen maken wafers, onderzoeken we wat we kunnen doen met de mogelijkheden van vandaag op het gebied van nanofabricage, lasers en ontwerp.'

'Op sommige manieren denk ik dat het net zo opwindend kan zijn als missies buiten het zonnestelsel. Wat mij opvalt is dat het creëren van deze dunne optische materialen een venster kan openen naar fundamentele vragen zoals; hoe snel kunnen we een voorwerp daadwerkelijk versnellen. De nanotechnologie achter deze vraag zal zeker nieuwe interessante onderzoekspaden openen.'

Op dit moment zou het ongeveer 10.000 jaar duren voordat onze snelste raketten zelfs de dichtstbijzijnde ster buiten het zonnestelsel zouden bereiken. Het Breakthrough Starshot-initiatief, dat duizenden onderzoekers verenigt, streeft ernaar die reis te verkorten tot slechts 20 jaar.

Door ultralichte, door laser voortgestuwde ruimtevaartuigen ter grootte van microchips te ontwikkelen, voorziet het project de eerste interstellaire verkenning van de mensheid buiten het zonnestelsel. Starshot werd gelanceerd door Yuri Milner en Stephen Hawking in 2016.

Meer informatie: Lucas Norder et al, Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57749-y

Tijdschriftinformatie: Nature Communications

Verstrekt door Technologische Universiteit Delft