Як спроєктувати вітрило, яке не порветься та не розплавиться під час міжзоряної подорожі?

Дослідники з′ясували, якої форми та з яких матеріалів має бути зроблене світлове вітрило, щоб витримати розгін до швидкості, наближеної до релятивістської, від променів з масиву потужних лазерів.

Про це розповідають в Університеті Пенсільванії, передають OstanniPodii.com

Астрономи десятиліттями чекали на запуск космічного телескопа Джеймса Вебба, який обіцяє зазирнути у космос далі, ніж будь-коли раніше. Але якщо людство захоче досягти нашого найближчого зоряного сусіда, їм доведеться почекати "трохи" довше: зонду, надісланому до Альфи Центавра за допомогою ракети, знадобиться на здійснення подорожі приблизно 80 000 років.

Команда дослідників з Університету Пенсільванії та Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA) намагаються вирішити цю футуристичну проблему за допомогою ідей, взятих з однієї з найстаріших транспортних технологій людства – вітрил.

У рамках ініціативи Breakthrough Starshot вони проєктують розміри, форму та матеріали для вітрила, яке штовхається не вітром, а світлом.

З використанням наноскопічно тонких матеріалів і масиву потужних лазерів, таке вітрило могло б нести зонд розміром з мікрочип зі швидкістю в п’яту частину швидкості світла – досить швидко, щоб здійснити подорож до Альфи Центавра приблизно за 20 років, а не за тисячоліття.

«Для досягнення іншої зірки протягом нашого життя знадобиться релятивістська швидкість, або щось наближене до швидкості світла», — каже Ігор Баргатін, доцент кафедри машинобудування та прикладної механіки Університету Пенсільванії. «Ідея світлового вітрила існувала вже деякий час, але ми тільки зараз з’ясовуємо, як зробити так, щоб ці конструкції витримали подорож».

Більшість попередніх досліджень у цій галузі припускали, що Сонце пасивно забезпечуватиме всією енергією, необхідною світловим вітрилам для руху. Однак план Starshot з доведення вітрила до релятивістських швидкостей вимагає набагато більш цілеспрямованого джерела енергії. Як тільки вітрило вийде на орбіту, величезний масив наземних лазерів має направити на нього свої промені, чим забезпечить інтенсивність світла в мільйони разів більшу, ніж сонячна.

Враховуючи, що ціллю лазерів буде триметрова структура в тисячу разів тонша за аркуш паперу, з’ясування того, як запобігти розриву або розплавленню вітрила, є серйозною задачею при проєктуванні.

Дослідники опублікували пару статей у журналі Nano Letters, які окреслюють деякі з цих основних специфікацій.

Одна зі статей (очолювана Баргатіним), демонструє, що сонячні вітрила Starshot, які планується сконструювати з ультратонких листів оксиду алюмінію та дисульфіду молібдену, повинні будуть роздуватися як парашут, а не залишатися плоскими, як передбачалося у більшості попередніх досліджень.

«Інтуїція підказує, що дуже туге вітрило чи то на вітрильнику, чи в космосі, набагато більш схильне до розривів», — каже Баргатін. «Це відносно проста концепція для розуміння, але нам знадобилися дуже складні математичні розрахунки, щоб насправді показати, як ці матеріали проводитимуться в такому масштабі».

Замість плоского полотна, дослідники припускають, що вигнута конструкція, приблизно такої ж глибини, як і ширини, найбільш здатна витримати напругу гіперприскорення вітрила, яке в тисячі разів перевищує силу тяжіння Землі.

«Лазерні фотони заповнять вітрило так само як повітря надуває пляжний м’яч», – каже Метью Кемпбелл, постдокторант в групі Баргатіна та перший автор першої статті. «І ми знаємо, що легкі контейнери під тиском повинні бути сферичними або циліндричними, щоб уникнути розривів і тріщин. Згадайте пропанові баки або навіть паливні баки на ракетах».

Інша стаття (очолювана доцентом кафедри матеріалознавства та інженерії в Інженерній школі Самюелі при UCLA Асватом Раманом), дає уявлення про те, як нанорозмірні структури всередині вітрила можуть найбільш ефективно розсіювати тепло, яке надходить разом із лазерним променем, в мільйон разів потужнішим ніж від Сонця.

«Якщо вітрила поглинуть навіть незначну частину лазерного світла, що на них падає, вони нагріються до дуже високих температур», — пояснив Раман. «Щоб переконатися, що вони просто не розпадуться, ми повинні максимально збільшити їх здатність випромінювати своє тепло, що є єдиним способом теплопередачі, доступним у космосі».

Попередні дослідження світлових вітрил показали, що використання конструкції фотонного кристала, по суті, обсипання "тканини" вітрила рівномірно розташованими отворами, дозволить максимально збільшити теплове випромінювання конструкції. Нова робота дослідників додає ще один шар періодичності: зразки вітрильної тканини, зшиті разом у сітку.

Завдяки тому, що відстань між отворами відповідає довжині хвилі світла, а відстань між зразками відповідає довжині хвилі теплового випромінювання, вітрило може витримати ще більш потужний початковий поштовх, скоротивши час, який лазерам знадобиться, щоб залишатися на своїй цілі.

«Кілька років тому навіть роздуми або теоретична робота над цим типом концепції вважалися надуманими», — каже співавтор Діп Джарівала, доцент кафедри електротехніки та системної інженерії в Інженерній школі Самюелі UCLA. «Тепер ми не тільки маємо дизайн, але й ґрунтуємось на реальних матеріалах, доступних у наших лабораторіях. Нашим планом на майбутнє буде створення таких конструкцій у невеликих масштабах та випробування їх за допомогою потужних лазерів».

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.