Нанофотонные солнечные паруса помогут достичь релятивистских скоростей
Logo
Cover

Многообещающий наноматериал для солнечного паруса разработали американские инженеры. Такие спутники могли бы добраться до ближайших потенциально обитаемых планет всего за пару десятков лет.

Однажды, в не столь отдаленном будущем, солнечные парусники смогут рассекать просторы космоса со скоростью около 20% от световой. Вместо топлива у них будет только излучение лазеров с Земли. Двигаясь с такой релятивистской скоростью, космические корабли достигнут ближайшей к нам звезды, Альфы Центавра, или потенциально обитаемых планет в этой системе всего за 20 лет, пишет Phys.org.

Разработка солнечных парусов — серьезная инженерная задача, ставящая перед учеными почти невыполнимые требования: идеальный солнечный парус должен быть несколько метров шириной, достаточно прочным, чтобы выдержать давление излучения, но не более 100 нанометров толщиной, а вес не должен превышать пары грамм.

Остальные требования проистекают из принципа работы паруса. Согласно уравнению Максвелла, свет обладает импульсом и может оказывать давление на объекты. Однако, в отличие от обычных парусов, которые толкает ветер, движение солнечного парусника происходит из-за того, что парус отражает излучение. В результате оптимальный парус должен отражать большую часть излучения в лазерном луче ближнего ИК-спектра, одновременно испуская излучение в среднем ИК-диапазоне для эффективного охлаждения.

В работе, опубликованной журналом Nano Letters, ученые из Технологического института Пасадены (США) показали, что нанофотонные структуры могут отвечать строгим требованиям к материалам для солнечных парусов, способных развивать релятивистские скорости.

В прошлом инженеры предлагали использовать сверхтонкий алюминий, различные полимеры и углеродные волокна. В отличие от них, нанофотонные структуры могут манипулировать светом в масштабе менее длины волны, что дает преимущество для эффективного движения и управления тепловым режимом.

В качестве примера ученые показали, что двуслойный материал из кремния и кварца показывает неплохие результаты благодаря совокупным преимуществам обоих материалов: высокого коэффициента преломления кремния и хороших показателей охлаждения кварца.

Разработкой солнечного паруса для NASA занимаются инженеры Рочестерского технологического института (США). Они пришли к идее использовать в качестве материала новый класс композитов, обладающих нестандартными свойствами — дифракционные метапленки. Этот подход можно использовать в малых и сверхмалых спутниках формата CubeSat.