Путешествие к звездам на парусных космических кораблях кажется фантастикой. Между тем амбициозная программа Breakthrough Starshot Initiative, начатая в 2016 году Стивеном Хокингом и Юрием Мильнером, вышла на первый практический этап.
Он состоит в создании лабораторного стенда для испытаний сверхтонких мембран с измерением их характеристик, в том числе давления лазера. Эти работы, описанные в журнале Nature Photonics, провел Калифорнийский технологический институт (Caltech) — флагманское учреждение программы.
Квадратик 40×40 микрон из нитрида кремния толщиной всего 50 нанометров изготовили при помощи электронно-лучевой литографии и растянули в более крупной мембране на пружинах из нитрида кремния, чтобы получился миниатюрный «батут». Его осветили мощным аргоновым лазером.
Динамика движения паруса оказалась очень сложной: она зависит не только от его положения по отношению к направлению лазерного луча — нагреваясь, мембрана начинает колебаться.
Для этого применили так называемый интерферометр с общим оптическим путем, в котором лучи проходят практически одинаковое расстояние, поэтому влияние внешнего шума (например, из-за работы оборудования или даже разговоров людей) взаимно компенсируется, и остается лишь очень слабый сигнал от движения образца. Интерферометр встроили в микроскоп, который использовали для изучения миниатюрного паруса, и разместили устройство в специально созданной вакуумной камере.
В результате удалось определить движения паруса в пределах пикометров (триллионных долей метра), а также оценить его механическую жесткость — по деформации пружин, когда лазер давил на парус.
Сила давления луча под углом оказалась ниже ожидаемой — возможно, из-за его отражения и рассеивания от краев паруса.
Следующим шагом станет использование нанонауки и метаматериалов для контроля бокового движения и вращения миниатюрного светового паруса.
Результатом должен стать свободно ускоряющийся световой парус, который подавлением лазера сможет разгонять космический корабль до 20% от скорости света.
В космосе развернули парус, приводимый в движение только светом
Суперкомпьютер смоделировал «выхлоп» электродвигателя ракеты