Måling af let sejlydelse i laboratoriet

Sejlads har været en grundpille i menneskets historie i årtusinder, så det er ikke overraskende, at forskere ville anvende det på at rejse i rummet. Solsejlads, den mest almindelige version, bruger pres fra solen til at skubbe rumfartøjet med gigantiske sejl udad i solsystemet. Der er dog en mere teknologisk avanceret version, som flere grupper mener kan tilbyde os det bedste skud på at komme til Alpha Centauri – lys sejlads.

I stedet for at stole på lys fra solen, bruger denne teknik en laser til at skubbe et ekstraordinært lys rumfartøj op til hastigheder, der aldrig før er opnået af noget, mennesker har bygget. Et sådant projekt understøttes af Breakthrough Starshot -initiativet, der oprindeligt blev grundlagt af Yuri Milner og Stephen Hawking. Et nyt papir fra forskere ved Caltech udgivet i Naturfotonik Udforsker, hvordan man tester, hvilken kraft en laser ville have på et let sejl, når den rejser til en anden stjerne.

Det generelle koncept med at skubbe noget med lys virker enkelt nok, men djævelen er i detaljerne med hensyn til, hvordan det vil fungere i rummet. Laser og rumfartøj skal synkronisere over millioner af miles. Hvis enten så meget som lidt bevæger den vinkel, de er indstillet til, måske fordi en mikrometeoroid ramte dem, mislykkes missionen enten fordi håndværket ender i en anden del af galaksen eller laseren ikke giver nok strøm til at få det Der på en rimelig tid.

Testning er måden at sikre, at en sådan katastrofe ikke sker, men selv at forstå, hvordan fysikken i et let sejl vil arbejde over så store afstande, er vanskelig. Så forskerne ved Caltech, ledet af Postdoc Lor Michaeli og Ph.D. Student Ramon Gao, byggede en opsætning til at teste denne fysik.

Måling af let sejlydelse i laboratoriet

Billeder, der leveres som en del af en pressemeddelelse til at ledsage deres papir i naturfotonik, viser en lille firkantet prøve af lyssejl, der er forbundet til en større, udhulet firkantet membran med et sæt på fire fjedre fastgjort til hvert hjørne af prøven. Hvad billederne ikke gør et godt stykke arbejde med at fange er, hvor lille prøven er – 40 mikron med 40 mikroer er ikke meget sammenlignet med 10 m2 Til det endelige lyssejldesign.

Men det er en start, og testriggen introducerede nogle interessante tekniske udfordringer. Pladsen er kun 50 nm tyk og lavet af siliciumnitrid. Fjedrene er lavet af det samme materiale, og den samlede opsætning “ligner en mikroskopisk trampolin”, ifølge pressemeddelelsen.

Når prøven blev udsat for en argon -laser, vibrerede den. Forskerne vidste, at denne vibration primært blev forårsaget af varme fra laseren, og de var nødt til at differentiere vibrationen forårsaget af opvarmning fra kraften, der blev anvendt af selve lyset. For at gøre det vendte de sig til et instrument, der ofte blev brugt i rumforskning – et interferometer.

I dette tilfælde var det en type kendt som et almindeligt-path-interferometer. I denne opsætning kører de to laserstråler på interferometeret i det væsentlige den samme sti og støder derfor på de samme miljøforhold. Når en laser rammer et bevægende objekt, og man rammer en stationær, kan forskellen i bevægelse trækkes ud for at drille det signal, som eksperimentøren leder efter – i dette tilfælde er strålingstrykket for selve laseren.






Et yderligere trin var at integrere interferometeret med et mikroskop og et vakuumkammer, som til sidst muliggjorde målinger ned til niveauet for et picometer med hensyn til prøvens forskydning. De indsamlede også oplysninger om de mekaniske egenskaber ved siliciumnitridfjedre, der blev brugt til at holde prøven på plads.

Når testopsætningen var bekræftet, var det næste trin at flytte vinklen, som de potentielt ville i et virkeligt verdenscenarie. I dette tilfælde vinklede de kun laserstrålen, men bemærkede stadig et betydeligt tab af skubbekraft. De teoretiserede, at lys, der rammer kanten af ​​sejlet diffraheret, hvilket forårsager et tab af den magt, der ellers ville blive brugt til at skubbe sejlet.

Denne testopsætning giver forskere mulighed for at teste, hvordan man undgår en sådan skæbne for den langsigtede Light Sail-mission. De har allerede nogle ideer om at integrere nanomaterialer og selvkorrektionskræfter, der giver let sejlet mulighed for automatisk at bevæge sig tilbage til sin optimale sti. Men alle sådanne fremskridt er langt væk. På trods af den lange rejse er det et trin (eller måske et laserpush) i den rigtige retning.