Ученые из Университета Таскиги достигли заметного успеха в создании световых парусов, предназначенных для разгона беспилотных зондов до скорости, составляющей 20% от скорости света. Эта технология, использующая лазерное ускорение, позволит добраться до ближайшей к Земле звезды, Проксимы Центавра, всего за два десятилетия, в то время как для современных химических ракет потребовались бы столетия. Разработчики представили новую конструкцию паруса, выполненного на основе фотонно-кристаллической структуры, которая должна решить основные проблемы, препятствовавшие ранее реализации данной идеи.
Обычно световые паруса изготавливают из полимерных пленок с металлическим покрытием. Но эти материалы неизбежно поглощают часть энергии лазера, переводя её в тепловую энергию, что приводит к снижению эффективности. Стремление к увеличению отражающей способности за счет добавления дополнительных слоев приводит к увеличению массы паруса, что создает ситуацию, аналогичную проблемам, возникающим в классической ракетной формуле. Специалисты из Таскиги нашли решение этой проблемы, разработав парус, состоящий из трехслойного диэлектрического материала с наноструктурой.
Предложенная структура включает в себя столбики из германия, воздушные каналы и полимерную матрицу. Сочетание материалов, характеризующихся различными коэффициентами преломления, создает фотонную запрещенную зону. Она функционирует как селективное зеркало: парус эффективно отражает лазерное излучение определенной длины волны (1,2 микрометра), достигая примерно 90% отражательной способности, но при этом остается прозрачным для остальной части солнечного спектра. Это способствует снижению перегрева конструкции, сохраняя при этом ее легкость и эффективность.
Чтобы убедиться в правильности своей теории, команда провела не только ряд компьютерных моделирований, но и разработала действующий прототип мембраны. Благодаря применению электронно-лучевой литографии и вакуумного напыления, ученым удалось создать структуру, состоящую из германиевых столбиков шириной 200 нанометров и воздушных отверстий диаметром 400 нанометров, расположенных в полимерном слое толщиной 200 нанометров. Проведенные исследования подтвердили высокую точность изготовления и эффективность предложенной концепции.
Исследования, имитирующие условия космического полета, продемонстрировали, что парус площадью в один квадратный метр, подвергающийся воздействию лазера мощностью 100 киловатт, может разогнать зонд до скорости, достигающей нескольких сотен метров в секунду, всего за один час. Несмотря на то, что этого недостаточно для межзвездных путешествий, подобные параметры открывают возможности для быстрых межпланетных миссий в пределах Солнечной системы. Специалисты отмечают, что их разработка представляет собой значительный прогресс от теоретических изысканий к практической реализации и создает фундамент для разработки легких, отражающих и передовых конструкций, предназначенных для лазерной тяги, которые в дальнейшем способны кардинально изменить подход к исследованию отдаленных космических пространств.
Результаты исследования были в Journal of Nanophotonics.