Skalbar nanoteknikbaserad ljussegel utvecklade för rymdforskning i nästa generation

24 mars 2025

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörer har framhävt följande attribut och samtidigt säkerställt innehållets trovärdighet:

faktakontrollerad

granskad av kollegor

pålitlig källa

korrekturläst

av Delft University of Technology

Forskare vid TU Delft och Brown University har utvecklat skalbara nanoteknikbaserade ljussegel som kan stödja framtida framsteg inom rymdforskning och experimentell fysik. Deras forskning, publicerad i Nature Communications, introducerar nya material och produktionsmetoder för att skapa de tunnaste storskaliga reflektorerna som någonsin tillverkats.

Ljussegel är ultratunna, reflekterande strukturer som använder laserdriven strålningstryck för att driva rymdfarkoster med höga hastigheter. Till skillnad från konventionell nanoteknik, som förminskar enheter i alla dimensioner, följer ljusseglarna en annan metod. De är nanoskikt i tjocklek – ungefär 1/1000 delen av tjockleken på ett människohår – men kan sträcka sig till ark med stora dimensioner.

Att tillverka ett ljussegel enligt visionen för Breakthrough Starshot Initiative skulle traditionellt ta 15 år, främst eftersom det är täckt av miljarder nanoskala hål. Genom avancerade tekniker har teamet, inklusive försteförfattaren och doktoranden Lucas Norder, reducerat denna process till en enda dag.

'Det här är inte bara ytterligare ett steg i att göra saker mindre; det är ett helt nytt sätt att tänka på nanoteknik,' förklarar Dr Richard Norte, biträdande professor vid TU Delft. 'Vi skapar högaspektrik trots att proporsioner som är tunnare än allting som tidigare konstruerats men sträcker sig över dimensioner som påminner om massiva strukturer.' Den nuvarande prototypen mäter 60mm x 60mm och är 200 nanometer tjock, täckt av miljarder nanostora hål. Detta representerar en betydande framsteg inom storskalig ljussegeltillverkning.

'Andra nyliga framsteg inom området, såsom från Caltech, har visat nanoskalig kontroll över segelstrukturer på mikrometerskala, medan vår metod skalar till strukturer på centimeterskala samtidigt som den behåller precist tillverkningsprecision på nanoskala.' Om det skulle göras i stor skala skulle ljusseglet som tillverkats av Norte och kollegor sträcka sig över längden av sju fotbollsplaner med en tjocklek på endast en millimeter.

'Det är inte bara dess höga aspektförhållande som gör det här materialet speciellt; det är den simultana kombinationen av storskalighet och nanoskala i samma material som gör det lätt och reflekterande,' säger Norte.

Teamet kombinerade toppmodern neuraltopologioptimeringsteknik med banbrytande tillverkningsmetoder för att uppnå detta. 'Vi har utvecklat en ny gasbaserad etsning som tillåter oss att fint avlägsna materialet under seglen, vilket lämnar bara seglen,' förklarar Norte. 'Om seglen går sönder, är det mest troligt under tillverkning. En gång seglen är upphängda är de faktiskt ganska robusta. Dessa tekniker har utvecklats unikt vid TU Delft.'

'Vårt arbete kombinerar de senaste framstegen inom optimering för att utforska nya sätt att hitta otroliga design,' säger Dr Miguel Bessa från Brown University. 'Genom att blanda neurala nätverk med topologioptimering har vi skapat design som utmanar gränserna för vad som är möjligt inom både nanofotonik och storskalig tillverkning.'

De föreslagna ljusseglarna utnyttjar laserdrivet strålningstryck för att accelerera till anmärkningsvärda hastigheter, vilket möjliggör snabb interplanetarisk resa. Till exempel skulle sonder drivna av utvecklade ljussegel, teoretiskt sett, nå Mars på samma tid som internationell post tar att anlända.

Medan sådana stora avstånd fortfarande är ett mål för framtiden, har nyliga studier visat att liknande ljussegel för närvarande kan drivas över avstånd så små som pikometer. Norte och hans team förbereder nu experiment för att driva de nya membranseglarna över avstånd mätt i centimeter mot jordens gravitation. 'Det kanske inte låter som mycket, men detta skulle vara 10 miljarder gånger längre än något som hittills har drivits med laser.'

Bortom rymdforskning öppnar dessa material upp nya möjligheter för experimentell fysik. Möjligheten att accelerera massor till höga hastigheter erbjuder oöverträffade möjligheter att studera ljus-materie interaktioner och relativistisk fysik i makroskopisk skala.

'Den här forskningen placeras Delft i framkant av nanoskalmaterialvetenskap,' tillägger Norte. 'Nu när vi kan göra dessa ljussegel lika stora som halvledarindustrin kan göra vafelleveranser utforskar vi vad vi kan göra med dagens möjligheter inom nanotillverkning, laser och design.'

'I vissa avseenden tror jag att det kan vara lika spännande som uppdrag utanför solsystemet. Det som imponerar på mig är att skapandet av dessa tunna optiska material kan öppna ett fönster till grundläggande frågor som; hur snabbt kan vi faktiskt accelerera ett objekt. Nanotekniken bakom denna fråga kommer säkerligen att öppna nya vägar för intressant forskning.' 'För närvarande skulle det ta cirka 10 000 år för våra snabbaste raketer att nå även den närmaste stjärnan utanför solsystemet. Breakthrough Starshot Initiative, som förenar tusentals forskare, syftar till att minska den resan till endast 20 år.' 'Genom att utveckla ultralätta, laserdrivna rymdfarkoster i storleken av mikrochip, siktar projektet på mänsklighetens första interstellära utforskning utanför solsystemet. Starshot startades av Yuri Milner och Stephen Hawking 2016.' 'Mer information: Lucas Norder m.fl., Pentagonala fotonic kristallspeglar: skalbara ljusslukar med förbättrad acceleration genom neural topologi optimering, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57749-y' 'Tidskriftsinformation: Nature Communications' 'Tillhandahållen av Delft University of Technology'