Beam Rider: Novo 'samocentrirajoče' lasersko jadro bi lahko omogočilo medzvezdna potovanja

Nova študija ugotavlja, da bi vesoljska plovila lahko odletela do oddaljenih zvezd z jadri s površinami, podobnimi CD -jem in DVD -jem, da bi jim pomagala ostati osredotočena na laserske žarke.



Konvencionalne rakete, ki jih poganjajo kemične reakcije, so trenutno prevladujoča oblika vesoljskega pogona. Vendar pa niso niti dovolj učinkoviti, da bi v življenju človeka dosegli drugo zvezdo. Na primer, čeprav Alfa Centauri je najbližji zvezdni sistem Zemlji, še vedno je oddaljen približno 4,37 svetlobnih let, kar je več kot 41,6 bilijonov kilometrov oddaljenih 25,6 bilijonov milj ali več kot 276 000-krat večja razdalja od Zemlje do sonca. NASA -jevo vesoljsko plovilo Voyager 1, ki se je izstrelilo leta 1977 in leta 2012 doseglo medzvezdni prostor, bi približno 75.000 let doseglo Alpha Centauri, če bi sonda vodila v pravo smer (kar pa ni).

Težava pri vseh potisnikih, ki jih sedanja vesoljska plovila uporabljajo za pogon, je, da ima pogonsko gorivo, ki ga nosijo s seboj, maso. Dolga potovanja zahtevajo veliko pogonskega goriva, zaradi česar so vesoljska plovila težka, kar pa zahteva več pogonskega goriva, zaradi česar so težja itd. Ta problem se eksponentno poslabša, ko postaja vesoljsko plovilo večje.



Povezano: Koncepti pogona superhitro vesoljsko plovilo (slike)

Prejšnje raziskave so pokazale, da je lahko 'lahkotno jadranje' eden od edinih tehnično izvedljivih načinov, kako v času življenja človeka prestreči sondo na drugo zvezdo. Čeprav svetloba ne izvaja velikega pritiska, so znanstveniki že dolgo namigovali, da bi lahko majhna količina, ki jo uporablja, imela velik učinek. Dejansko so številni poskusi pokazali, da se lahko „sončna jadra“ za pogon opirajo na sončno svetlobo, glede na dovolj veliko ogledalo in dovolj lahkotno vesoljsko plovilo.



100 milijonov dolarjev vredna pobuda Breakthrough Starshot , ki je bil napovedan leta 2016, načrtuje, da bo v Alpha Centauri izstrelil roje vesoljskih plovil velikosti mikročipov, od katerih bo vsak imel izjemno tanka, neverjetno odsevna jadra, ki jih poganjajo najmočnejši laserji doslej. Po načrtu naj bi leteli s hitrostjo svetlobe do 20% in dosegli Alpha Centauri v približno 20 letih.

Eden od pomislekov pri uporabi laserskih jader je, da če se odmaknejo od poravnave z pogonskimi laserskimi žarki - ki bodo vsaj na začetku tu na Zemlji temeljili v Prelomni načrt Starshota - lahko močno odstopijo od svojih ciljev. Zdaj so znanstveniki zasnovali in preizkusili novo jadro, ki bi se načeloma lahko samodejno držalo v središču laserskega žarka potrebnih nekaj minut, kar bi vesoljskemu plovilu omogočilo, da ostane na poti za medplanetarna ali celo medzvezdna potovanja.



Novo jadro temelji na strukturah, znanih kot difrakcijske rešetke , katerih najbolj znane različice so na CD -jih in DVD -jih. A difrakcijska rešetka je površina, pokrita z vrsto redno razporejenih mikroskopskih grebenov ali rež, ki lahko razpršijo ali ločijo svetlobo, zaradi česar različne valovne dolžine ali barve svetlobe potujejo v različnih smereh.

Posnetek na CD -ju ali DVD -ju je kodiran v obliki mikroskopskih jam različnih dolžin, ki so postavljene v vrstice enake širine in enake razdalje, laserski žarki pa lahko te diske preberejo in preberejo njihove podatke. Te vrstice tvorijo difrakcijsko rešetko na zrcalnih površinah CD -jev in DVD -jev, ki lahko razdeli belo svetlobo v številne barve, ki jo sestavljajo, kar povzroči mavrične vzorce, ki jih lahko vidimo na teh diskih.

'Če ste kdaj pregledali čudovito igro svetlobe s kompaktnega diska, boste videli učinke difrakcije,' je za Space.com povedal višji avtor študije Grover Swartzlander, optični fizik na Tehnološkem inštitutu Rochester v New Yorku. .

Raziskovalci so zgradili jadro, sestavljeno iz dveh difrakcijskih rešetk, postavljenih drug ob drugem. Vsaka rešetka je bila narejena iz poravnanih tekočih kristalov, ki so bili v plastični foliji. Podobni tekoči kristali se pogosto uporabljajo v elektronskih zaslonih video zaslonov in digitalnih ur.

Prejšnji modeli lahkih jader delujejo kot ogledala, ki odbijajo žarke svetlobe nazaj na njihove vire. V novi zasnovi tekoči kristali v vsaki difrakcijski rešetki odklonijo svetlobne žarke pod kotom in ustvarjajo sile, ki jadro pošiljajo nazaj in vstran.

Rešetka na levi strani novega jadra odbija svetlobo desno od laserskega žarka, medtem ko rešetka na desni strani odbija svetlobo v levo. Če jadro zanese tako, da laserski žarek pade na obe strani jadra, to potisne jadro nazaj v položaj, pri čemer svetloba pade na sredino jadra.

Povezano: Preboj Starshot v slikah: Nanocraft z laserskim jadranjem za preučevanje tujih planetov

V preskusih svojega eksperimentalnega jadra so morali znanstveniki zaznati mikroskopske sile, ki jih je jadro ustvarilo kot odziv na laser, hkrati pa so te sile ločile od motenj, kot so vibracije pri gradnji ali zračni tokovi.

'Bili smo razočarani, ko smo ugotovili, da naše meritve niso bile zanesljive, če bi tla popustila od teže majhne osebe,' je dejal Swartzlander. 'Sčasoma smo našli ustrezne lokacije in metode za preprečevanje motenj.'

Raziskovalci so uspešno odkrili jadro, ki ustvarja sile ponovnega centriranja, ki so ga potisnile nazaj v poravnavo z laserskim žarkom.

'Zelo zadovoljivo je bilo ugotoviti, da se eksperimentalni rezultati ujemajo z našimi teoretičnimi napovedmi,' je dejal Swartzlander. 'Ta sporazum kaže, da lahko samozavestno oblikujemo bolj zapletene difrakcijske strukture za svetlobna jadra, ki jih poganja sončna svetloba ali laserski žarek.'

Raziskovalci zdaj eksperimentirajo z jadri, ki se lahko centrirajo, če se premikajo v katero koli smer, ne le levo ali desno. 'Zanimivo je, da imajo lahko te optične lastnosti zelo podobne difrakcijski naravi kompaktnih diskov,' je dejal Swartzlander.

Raziskovalci so predlagali, da bi lahko v prihodnosti njihova jadra preizkusili na Mednarodni vesoljski postaji ali na majhnem satelitu okoli Zemlje. Podrobno so opisali njihove ugotovitve na spletu 13. decembra v reviji Physical Review Letters.

Spremljajte Charlesa Q. Choija na Twitterju @cqchoi . Sledite nam na Twitterju @Spacedotcom in naprej Facebook .

Vse o vesoljskih počitnicah 2019

Potrebujete več prostora? Naročite se na naš sestrski naslov 'Vse o vesolju' za najnovejše neverjetne novice s zadnje meje! (Zasluga za sliko: Vse o vesolju)