Новые технологии могут однажды доставить нас к Альфа Центавра всего за 20 лет

Фото из открытых источников

Крошечная, первая в своем роде демонстрация в наномасштабе показывает, как мы однажды сможем отправить космический аппарат к другой звезде, в течение жизни человека. Результаты исследования были опубликованы в журнале Newton.

Исследователи из Департамента машиностроения Техасского университета A&M продемонстрировали прорыв в области движения, управляемого светом, который в будущем может привести нас к Альфа Центавра всего за несколько десятилетий, а не за тысячи лет.

Космос огромен, а продолжительность человеческой жизни коротка. Если мы хотим когда-нибудь исследовать другие солнечные системы, помимо нашей собственной, нам придётся значительно повысить свой уровень. Двигаясь со скоростью «Вояджера», хотя это и не самый быстрый космический аппарат на сегодняшний день, ему потребуется более 73 000 лет, чтобы добраться до Альфа Центавра, ближайшей к Земле звёздной системы. Это сложная задача для любого астронавта, и если у вас нет готовой системы анабиоза или плана управления кораблём на протяжении десятков тысяч лет, а также достаточного количества топлива, нам понадобятся более быстрые варианты.

Одна из идей, которая обсуждается уже несколько десятилетий, — это использование света для перемещения лёгких космических аппаратов на большие расстояния. Основная идея заключается в использовании импульса фотонов, испускаемых Солнцем или мощными лазерами, созданными человеком, для ускорения космического аппарата и приведения его в движение. Хотя на практике это гораздо сложнее, Шоуфэн Лан из Лаборатории передовой нанофотоники описывает это как отскок мячиков для пинг-понга от поверхности; на поверхность, с которой сталкиваются мячики, будет действовать измеримая сила.

«Согласно закону движения Ньютона, любое изменение импульса между входящим и исходящим светом на границе раздела может генерировать компенсирующую механическую силу реакции на самой границе раздела», — объясняет группа исследователей в своей статье, конкретно связывая это с ультратонкими материалами, известными как «метаповерхности», используемыми в оптике и фотонике. «Несмотря на свою фундаментальную природу, общая взаимосвязь между аномальным отклонением и результирующей оптической силой до сих пор отсутствовала».

Одна из проблем, в решении которой в новом исследовании был достигнут значительный прогресс, — это управление направлением движения любого созданного летательного аппарата или чего бы то ни было еще, для чего окажется полезной эта технология. 

«Опираясь на обобщенный закон Снелла и закон сохранения импульса, мы разрабатываем теоретическую модель, которая связывает изменение импульса, вызванное метаповерхностями, с генерацией силы», — объясняет команда. «Генерируемые силы являются не только боковыми, но и вертикальными, что позволяет осуществлять полное трехмерное (3D) оптическое управление. Мы называем эти управляемые силы метафотонными силами, поскольку они возникают непосредственно из целенаправленной передачи импульса от метаповерхности».

Демонстрируя концепцию, команда тщательно собрала метаджеты микронного масштаба, изготовленные из массивов кремниевых наностолбиков, предназначенных для обеспечения трехмерной маневренности метаджетов при воздействии на них лазерного излучения. В этом отношении им это удалось: они продемонстрировали управление метаджетом в жидкости с помощью линейно поляризованного света, при этом в экспериментах не было обнаружено никаких нежелательных вращательных движений.

«Что еще более важно, мы используем метаповерхности для создания общей структурированной поверхности и разрабатываем базовую модель генерации метафотонных сил с отражением и преломлением, комбинируя закон движения Ньютона и закон Снелла», — заключает команда. «Между тем, наша модель показывает, что метафотонная сила увеличивается с ростом оптической мощности, не имея ограничений на общий размер структурированных объектов. Таким образом, метафотонные силы могут расширить возможности оптического манипулирования от преобладающих микроскопических и субмикроскопических масштабов до больших объектов, таких как межзвездные световые паруса в космических путешествиях и исследованиях».

Несмотря на то, что это интересное и захватывающее исследование, не стоит ожидать скорого запуска этих сокращенных миссий, поскольку требуется гораздо больше доработок. На данный момент команда надеется провести дальнейшие испытания концепции в условиях микрогравитации.