Skalowalne żagle świetlne oparte na nanotechnologii opracowane dla eksploracji kosmosu następnej generacji

24 marca 2025 r.

Ten artykuł został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, dbając jednocześnie o wiarygodność treści:

sprawdzanie faktów

publikacja z recenzją naukową

zaufane źródło

korekta

przez Uniwersytet Techniczny w Delft

Naukowcy z TU Delft i Brown University opracowali skalowalne żagle świetlne oparte na nanotechnologii, które mogą wspierać przyszłe postępy w eksploracji kosmosu i fizyce eksperymentalnej. Ich badania, opublikowane w Nature Communications, wprowadzają nowe materiały i metody produkcji, aby stworzyć najcieńsze na świecie odbijacze o dużych rozmiarach.

Żagle świetlne to ultra cienkie, odbijające struktury wykorzystujące napęd promieniowaniem laserowym do napędzania pojazdów kosmicznych na wysokich prędkościach. W odróżnieniu od konwencjonalnej nanotechnologii, która miniaturyzuje urządzenia we wszystkich wymiarach, żagle świetlne podążają inną drogą. Są nanoskalowe pod względem grubości - około 1/1000 grubości ludzkiego włosa - ale mogą się rozciągać do arkuszy o dużych wymiarach.

Produkcja żagla świetlnego zgodnie z wizją dla Inicjatywy Breakthrough Starshot tradycyjnie zajęłaby 15 lat, głównie ze względu na pokrycie go miliardami nanoskalowych otworów. Korzystając z zaawansowanych technik, zespół, w skład którego wchodzi pierwszy autor i doktorant Lucas Norder, zmniejszył ten proces do zaledwie jednego dnia.

"To nie jest kolejny krok w kierunku miniaturyzacji; to zupełnie nowe podejście do myślenia o nanotechnologii," wyjaśnia dr Richard Norte, adiunkt na TU Delft. "Tworzymy urządzenia o wyjątkowo wysokim stosunku długości do grubości, które są cieńsze od wszystkiego, co wcześniej konstruowano, ale rozciągają się na wymiary porównywalne do masywnych struktur." Obecny prototyp ma wymiary 60 mm x 60 mm i grubość 200 nanometrów, pokryty miliardami nanoskalowych otworów. Stanowi to znaczący krok naprzód w produkcji żagli o dużej skali.

"Inne niedawne postępy w tym dziedzinie, takie jak z Caltech, pokazały kontrolę na poziomie nanoskalowym nad strukturami żagli na mikrometrową skalę, podczas gdy nasze podejście ma zastosowanie do struktur o wymiarach centymetrowych, zachowując precyzję produkcji na poziomie nanoskalowym." Jeśli przeskalowane, żagiel zrobiony przez Norte i kolegów rozciągnąłby się na długość siedmiu boisk do futbolu z grubością zaledwie milimetra.

"To nie tylko wysoki stosunek długości do grubości czyni ten materiał wyjątkowym; to równoczesne połączenie dużych i małych rozmiarów w tym samym materiale sprawia, że jest lekki i odbijający," mówi Norte.

Zespół połączył najnowsze techniki optymalizacji topologii neuronowej z najnowszymi metodami produkcji, aby to osiągnąć. "Opracowaliśmy nowy, gazowy etching, który pozwala delikatnie usuwać materiał pod żaglami, pozostawiając tylko żagiel," wyjaśnia Norte. "Jeśli żagle pękną, najprawdopodobniej będzie to podczas produkcji. Gdy żagle są zawieszone, są one tak naprawdę bardzo odporne. Te techniki zostały opracowane wyłącznie w TU Delft."

"Nasza praca łączy najnowsze osiągnięcia w optymalizacji, aby badać nowe sposoby znajdowania nietypowych projektów," mówi dr Miguel Bessa z Brown University. "Poprzez połączenie sieci neuronowych z optymalizacją topologii, stworzyliśmy projekty, które posuwają granice możliwości zarówno w nanofotonice, jak i w produkcji na dużą skalę."

Zapropowane żagle świetlne wykorzystują napęd promieniowaniem laserowym do przyspieszania do zadziwiających prędkości, umożliwiając szybką podróż międzyplanetarną. Na przykład sondy napędzane rozwiniętymi żaglami mogą teoretycznie dotrzeć do Marsa w czasie potrzebnym na dostarczenie międzynarodowej przesyłki pocztowej.

Mimo że tak duże odległości pozostają celem na przyszłość, ostatnie badania wykazały, że podobne żagle mogą obecnie być napędzane na odległości tak małe jak pikometry. Norte i jego zespół przygotowują teraz eksperymenty, aby przesuwać nowe żaglowce membranowe na odległości mierzone w centymetrach wbrew grawitacji Ziemi. "Może to nie brzmi imponująco, ale byłoby to 10 miliardów razy dalej niż cokolwiek napędzone dotychczas laserami."

Poza eksploracją kosmosu, te materiały otwierają nowe możliwości dla fizyki eksperymentalnej. Możliwość przyspieszenia mas do wysokich prędkości oferuje nieprzedstawione dotąd możliwości badania interakcji światła i materii oraz fizyki relatywistycznej na makroskopowych skalach.

"Te badania stawiają Delft na czele nauki o materiałach na nanoskalę," dodaje Norte. "Teraz, gdy możemy tworzyć te żagle tak duże jak półprzewodniki mogą wytwarzać krzemowce, badamy to, co możemy zrobić z dzisiejszymi możliwościami w nanofabrykacji, laserach i projektowaniu.

"W pewnym sensie uważam, że może to być równie ekscytujące jak misje poza Układem Słonecznym. To, co dla mnie jest godne uwagi, to fakt, że tworzenie tych cienkich materiałów optycznych może otworzyć okno na fundamentalne pytania, takie jak: jak szybko możemy faktycznie przyspieszyć obiekt. Nanotechnologia stojąca za tym pytaniem z pewnością otworzy nowe ścieżki ciekawych badań." "Obecnie naszym najszybszym rakietom zajęłoby około 10 000 lat, aby dotrzeć nawet do najbliższej gwiazdy poza Układem Słonecznym. Inicjatywa Breakthrough Starshot, łącząca tysiące badaczy, dąży do skrócenia tej podróży do zaledwie 20 lat." "Poprzez rozwój ultralekkich, napędzanych laserem statków kosmicznych o wielkości mikroczipów, projekt wyobraża sobie pierwsze międzygwiezdne badania poza Układem Słonecznym. Starshot został uruchomiony przez Yuriego Milnera i Stephena Hawkinga w 2016 roku." "Więcej informacji: Lucas Norder et al, Pentagonalne zwierciadła krystaliczne fotoniczne: skalowalne ożaglowania zwiększonego przyspieszenia poprzez optymalizację topologii, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57749-y" "Informacje o czasopiśmie: Nature Communications" "Dostarczone przez Technische Universiteit Delft"