Применение самых современных ракетных технологий не позволяет достичь ближайшей к нам звёздной системы – Альфы Центавра – без затрат в миллиарды долларов и столетий. Возможным решением этой задачи является использование световой тяги. Международный исследовательский проект Breakthrough Starshot, представленный в 2016 году, предполагает создание зонда с солнечным парусом, который сможет достичь Альфы Центавра в течение жизни современных людей. Такой зонд, приводимый в движение миллионами лазеров, потенциально мог бы двигаться со скоростью, сопоставимой со скоростью света, и достичь ближайшей звезды за 20 лет.
Несмотря на возникшие трудности с финансированием, даже после первоначального вклада в 100 миллионов долларов от Марка Цукерберга и других спонсоров, концепция световой тяги остаётся актуальной. Команда исследователей из Техасского университета A&M представила инновационный способ использования светового движения. Их система способна поднимать и перемещать объекты в разных направлениях, не используя физический контакт. Учёные считают, что их разработка более перспективна в плане масштабируемости, чем существующие альтернативы, и в будущем может стать основой для реализации миссии, подобной проекту Breakthrough Starshot.
В новой статье под названием «Оптическая тяга и левитация метаджетов» исследователи представили результаты своей работы. В ней они описали, как микроскопические устройства, известные как метаджеты, способны создавать управляемое движение посредством лазерного излучения. Метаджеты изготавливаются из метаповерхностей – это ультратонкие материалы, на поверхность которых нанесены микроскопические узоры. Аналогично линзе, эти структуры позволяют исследователям контролировать поведение света, отражённого от устройств. Благодаря тщательному проектированию этих конструкций, учёные смогли управлять передачей импульса от света к объекту, что приводит к его движению и демонстрирует принципиально новый способ световой тяги.
В пресс-релизе доктор Шоуфэн Лань, доцент и руководитель Лаборатории передовой нанофотоники, провел аналогию этого явления с отскоком шариков для пинг-понга от поверхности стола. Лань, руководивший командой исследователей, уточнил, что свет функционирует подобно мячу, оказывая на объект незначительную, но фиксируемую силу. Особого внимания заслуживает способность метаджетов демонстрировать полноценный трехмерный маневр – это достижение, ранее не реализованное в системах оптической тяги. Благодаря нанометрической точности, команда создала метаповерхности в нанофабрикационной лаборатории AggieFab Техасского университета A&M. Для проведения испытаний устройств были проведены эксперименты в жидкой среде, которая позволила скомпенсировать влияние гравитации.
Метаджетам свойственна одна принципиальная особенность, отличающая их от других систем: в отличие от тех, которые формируют свет для управления объектами, этот подход интегрирует управление непосредственно в структуру материала. Как утверждают ученые из Техасского университета A&M, это обеспечивает большую гибкость при создании силы и улучшает возможности масштабирования. Важно отметить, что размеры разработанных ими устройств составляют всего несколько десятков микрон, что значительно меньше толщины человеческого волоса. Тем не менее, поскольку сила, генерируемая метаджетами, определяется мощностью света, а не размером устройства, исследователи считают, что их метод может быть использован и для создания более крупных, немикроскопических систем.
Эффективность всего этого во многом определяется наличием достаточной оптической мощности и необходимого финансирования. Проект Breakthrough Starshot приостановил разработку технологий световой тяги из-за дефицита средств. Тем не менее, в 2019 году миссия LightSail 2 Планетарного общества продемонстрировала, что безтопливная световая тяга может быть реальным способом перемещения небольших космических аппаратов в космосе. В настоящее время специалисты из Техасского университета A&M ищут внешние источники финансирования для проведения испытаний своей методики в космических условиях. В случае успешной реализации проекта они смогут предложить масштабируемую альтернативу традиционным способам световой тяги. Предстоит большая работа, но в будущем их исследования могут открыть возможность для ещё более длительных путешествий — эпического перелёта на расстояние 4,37 световых лет к ближайшей к нам звезде.