Исследователи разрабатывают новый метод дизайна и изготовления, чтобы сделать Lightsails для межзвездного путешествия

На потенциальном шаге на направлении отправки небольших космических кораблей в звезды исследователи разработали ультратонкую ультра-рефлексивную мембрану, предназначенную для проезда для проезда колонны лазерного света до невероятных скоростей.

С момента запуска в 1977 году космический корабль NASA Voyager 1 проехал более 15 миллиардов миль в глубокое пространство. Это долгий путь, но это даже не 1% от расстояния от Альфа Центавра, ближайшей звезды к солнцу. Если люди собираются отправлять корабли в звезды, космические путешествия должны будут стать намного быстрее.

Одним из многообещающих способов убрать такую ​​скорость является «Lightsail» — тонкая, отражающая мембрана, которую можно подтолкнуть светом так же, как ветер толкает парусную лодку. Lightsails может сократить время полета в близлежащие звезды с нескольких тысяч лет, используя текущие движительные системы, возможно, всего за десять или два.

Теперь команда исследователей из Университета Брауна и Технологического университета Делфта (TU Delft) в Нидерландах разработала новый способ проектирования и изготовления сверхтонких, ультра-рефлексивных мембран для Lightsails.

В исследовании опубликовано в Природная связьИсследователи описывают мембрану Lightsail, шириной 60 миллиметров (около 2,4 дюйма), длиной 60 миллиметров, но с толщиной всего 200 нанометров — крошечной доли человеческих волос.

Поверхность замысловато узоренчивая миллиарды наноразмерных отверстий, которые помогают снизить вес материала и повысить его отражательную способность, что дает ему больший потенциал ускорения.

«Эта работа была совместной попыткой теоретиков в Университете Брауна и эксперименталистами в TU Delft, что позволило проектировать, изготовить и проверять высокооттрактирующий лайт, с наибольшим соотношением сторон на сегодняшний день»,-сказал Мигель Бесса, доцент профессора Брауна.

«Экспериментальный прорыв команды Ричарда доказывает, что их процесс изготовления масштабируется до размеров, необходимых для межзвездных путешествий, и может быть выполнен экономически эффективным образом. Одновременно моя команда очень с энтузиазмом видит важную роль нашего последнего метода оптимизации, руководствуясь машинным обучением в решении такой интересной и сложной проблемы инженерии».

Исследование представляет собой значительный шаг к реализации таких целей, как инициативы «Старшот», основанный предпринимателем Юрием Милнером и покойным физиком Стивеном Хокингом.

Цель состоит в том, чтобы использовать наземные лазеры для питания сотни Lightsails Scale-Lightsails, несущих космический корабль размером с микроочип. Исследователи сообщают, что этот дизайн Lightsail может быть довольно легко увеличен до масштаба измерителей, и с помощью управляемой цены.

Для своего дизайна команда использовала однослойный нитрид кремния, легкий и высокопрочный материал, который хорошо подходит для дизайна Lightsail. Затем исследователи работали, чтобы максимизировать свою отражательную способность, минимизируя его вес.

Отражательная способность поверхности определяет, сколько светового давления создается за парусом, что, в свою очередь, определяет, насколько быстро он может ускоряться. В то же время более легкий материал требует меньшей силы для ускорения, поэтому меньшая масса равна большей скорости.

Процесс оптимизации включал проектирование схемы наноразмерных отверстий — миллионов из них на поверхности материала с диаметрами меньше длины волны света. Команда Бессы, в том числе доктор философии Брауна. Студент Shunyu Yin, использовал новый метод искусственного интеллекта, который они разработали для оптимизации формы и размещения отверстий для повышения отражательной способности и снижения веса.

Как только у них появился оптимизированный дизайн, команда во главе с Norte в Tu Delft пошла на работу, изготавливая его в лаборатории.

«Мы разработали новую газовую травление, которое позволяет нам деликатно удалять материал под парусами, оставляя только парус»,-сказал Норте. «Если паруса сломаются, это, скорее всего, во время производства. Как только паруса будут подвешены, они на самом деле довольно надежны. Эти методы были уникально разработаны в Ту Делфта».

Исследователи говорят, что изготовление этого дизайна традиционными методами была бы дорогой и взятой за 15 лет. Но, используя методы Norte, изготовление заняло около дня и на тысячи раз дешевле.

Результатом является мембрана, которую, по мнению исследователей, имеет самое высокое соотношение сторон-длину в масштабах центра, но с наноразмерной толщиной-на сегодняшний день. Исследователи надеются, что их методы не только помогут людям достичь звезд, но и раздвинуть границы наноразмерной инженерии.

«Новые методы машинного обучения и оптимизации, которые мы использовали здесь, очень общие», — сказала Бесса. «Мы могли бы использовать их для создания множества разных вещей для разных целей. Это на самом деле только начало. Мы могли бы быть на грани решения инженерных задач, которые до сих пор оставались неразрешимыми».