(Masumi Shibata, Gennembrudsinitiativer) I århundreder , har folk drømt om at blive drevet med fart hen over de store oceaner af rummet af lysvinde.
Hvor finurlig ideen end lyder, sejler reflekterende skubber langsomt mod lysets hastighed ved hjælp af intet andet end fotoner, der kan være voreskun plausibelt skudved at nå en anden stjerne inden for et enkelt menneskeliv.
Det er også langt lettere sagt end gjort. Lyspartikler kan være hurtige, men de skubber ikke særlig hårdt. Hvis du gør et sejl let nok til at mærke strålingens inerti, kan den konstante spærreild af fotoner utilsigtet beskadige dets materiale.
At lave et sejl, der kan modstå de farer, der truer rumfartøjer på så lang en rejse, kommer til at kræve nogle smarte løsninger; måske den slags løsninger, der foreslås i to undersøgelser offentliggjort for nylig i tidsskriftet Nano bogstaver .
Udtænkt af ingeniører fra University of Pennsylvania og University of California i Los Angeles i USA som en del af Gennembrud Starshot initiativet sigter innovationerne på at finde måder at finde den balance i holdbarhed og masse, der kræves for et interstellart fartøj.
'Idéen om et let sejl har eksisteret i nogen tid, men vi er lige nu ved at finde ud af, hvordan vi sikrer, at disse designs overlever turen,' siger Igor Bargatin, en maskiningeniør fra University of Pennsylvania.
Som luftpartikler, der rammer et sejl lavet af stof, udveksler strålingsbølger momentum med alle genstande, de slår ind i. I modsætning til luftmolekyler har fotoner eller lette molekyler ingen hvilemasse, så enhver kraft, de giver, vil være lille.
Som et eksempel, lyset, der preller af din krop, mens du solbader er nogenlunde tilsvarende i kraft til omkring en tusindedel af et gram.
Der er et par måder at øge dette pres på for at få en genstand til at bevæge sig. Den ene er at lave et større sejl, der kan fange mere lys. En anden er at gøre lyset, der rammer den, mere intens, ved for eksempel at rette en hel masse lasere mod den.
Men heri ligger nogle problemer. Større sejl betyder mere masse. Trimning af massen ville gøre det lettere at skubbe, med de potentielle omkostninger ved at gøre det mindre robust, hvilket ville sætte sejlet i fare for rivning.
Mere lys giver også nogle problemer. Når sejlet accelererer, for eksempel, vil bølgelængderne af stråling, der rammer det, synes at skifte langsomt mod den røde ende af regnbuen, hvilket sætter grænser for den slags materiale, der ikke vil absorbere for meget infrarødt og overophedet.
At finde det rigtige materiale til at gøre sejlene sejle, lette og i stand til at håndtere varmen produceret af gigawatt udstrakt laserlyshar været emnetaf tidligere undersøgelser. Men ingen har virkelig fokuseret på afvejningen mellem at holde absorptionen lav og momentumet højt over en bestemt distance, der kræves for at accelerere fartøjet.
I dette seneste forslag ingeniører foreslår at lave et sejl af to lag, der består af forbindelserne molybdændisulfid og siliciumnitrid, som begge kan fremstilles til plader og har den slags optiske egenskaber til at balancere minimal absorption og emission af lys, når det strækker sig ud.
Et andet papir har tacklet problemet ikke fra et materialeperspektiv, men et strukturelt et, der er designet til at håndtere belastningen af øget fotontryk, som en laserarray ville påføre.
At bøje sejlet ville forbedre stabiliteten, meget som det gør i faldskærme, men som forfatterne til undersøgelsen påpeger, er der kun blevet forsket lidt i de belastninger, som et let pres ville lægge på denne form for struktur.
Ved at modellere et cirkulært, sfærisk buet sejl på størrelse med kvadratmeter – et, der kunne trække en nyttelast på et par gram – demonstrerede holdet en tilstrækkelig krumning er absolut vejen at gå.
I lighed med den anden undersøgelse puslede forskerne også med forskelle i accelerationstid for at finde den rigtige balance mellem mekaniske og termiske spændinger og rejsetid.
Ideelt set søger Breakthrough Starshot at gøre et fartøj let nok til, at det kan nå hastigheder på omkring 20 procent af lysets hastighed; nok til at dække de 4,2 lysår til Proxima Centauri inden for blot et par årtier.
Det er vigtigt at bemærke, at denne teknologi måske aldrig er i stand til at transportere passagerer. Det vil forblive foder til science fiction i nogen tid endnu.
Men det kan muligvis give os et nærmere kig på enplanetsystem, der ikke er vores egeti vores liv.
Denne forskning blev offentliggjort i Nano bogstaver her og her .