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.