Oops! It appears that you have disabled your Javascript. In order for you to see this page as it is meant to appear, we ask that you please re-enable your Javascript!
Αστροφυσική, Διάστημα

Τα νανοφωτονικά ιστία ακτινοβολίας θα μπορούν να ταξιδεύουν με σχετικιστικές ταχύτητες

Written by Δ.Μ.

Μια μέρα – στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον – τα ιστία που θα κινούνται με τη βοήθεια της ακτινοβολίας – μπορεί να φτάσουν στο διάστημα με ταχύτητες περίπου το 20% της ταχύτητας του φωτός (ή 60.000 km/sec). Δεν θα κινούνται με καύσιμα αλλά με την πίεση ακτινοβολίας από υψηλής ισχύος λέιζερ στη Γη. Ταξιδεύοντας σε αυτές τις σχετικιστικές ταχύτητες, τα ιστία ακτινοβολίας με λέιζερ θα μπορούσαν να φθάσουν σε περίπου 20 χρόνια στο πλησιέστερο γειτονικό αστέρι (εκτός από τον Ήλιο), το Άλφα του Κενταύρου ή τον πλησιέστερο γνωστό δυνητικά κατοικήσιμο πλανήτη Proxima Centauri b. Και τα δύο αντικείμενα απέχουν λίγο περισσότερο από τέσσερα έτη φωτός μακριά μας..

Share

Μια μέρα – στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον – τα ιστία που θα κινούνται με τη βοήθεια της ακτινοβολίας – μπορεί να φτάσουν στο διάστημα με ταχύτητες περίπου το 20% της ταχύτητας του φωτός (ή 60.000 km/sec). Δεν θα κινούνται με καύσιμα αλλά με την πίεση ακτινοβολίας από υψηλής ισχύος λέιζερ στη Γη. Ταξιδεύοντας σε αυτές τις σχετικιστικές ταχύτητες, τα ιστία ακτινοβολίας με λέιζερ θα μπορούσαν να φθάσουν σε περίπου 20 χρόνια στο πλησιέστερο γειτονικό αστέρι (εκτός από τον Ήλιο), το Άλφα του Κενταύρου ή τον πλησιέστερο γνωστό δυνητικά κατοικήσιμο πλανήτη Proxima Centauri b. Και τα δύο αντικείμενα απέχουν λίγο περισσότερο από τέσσερα έτη φωτός μακριά μας..

nanophotonicΈνα ιστίο ακτινοβολίας απαιτεί λειτουργίες πολλαπλών ζωνών: υψηλή ανακλαστικότητα στην περιοχή εγγύς υπέρυθρων για την πρόωση και υψηλή εκπομπή ακτινοβολίας στην περιοχή θερμικής (μέσης) υπέρυθρης ακτινοβολίας για ψύξη.

Η σχεδίαση τέτοιων ιστίων είναι μια σημαντική πρόκληση μηχανικής, όμως, απαιτούνται συγκρουόμενα χαρακτηριστικά που ακούγονται σχεδόν αδύνατα: ένα ιδανικό ιστίο ακτινοβολίας θα πρέπει να είναι αρκετά μέτρα πλατύ και μηχανικά ανθεκτικό ώστε να αντέχει την έντονη ακτινοβολία, ωστόσο να είναι πάχους μόλις 100 νανόμετρα και να ζυγίζει μόνο λίγα γραμμάρια.

Άλλες απαιτήσεις προκύπτουν από το μηχανισμό με τον οποίο λειτουργούν αυτά τα πανιά. Σύμφωνα με τις εξισώσεις του Maxwell, το φως έχει ορμή και ως αποτέλεσμα μπορεί να ασκήσει πίεση στα αντικείμενα. Ωστόσο, τα ιστία ακτινοβολίας δεν ωθούνται απλά από την πίεση της ακτινοβολίας, όπως ένα ιστιοφόρο ωθείται από τον άνεμο. Αντίθετα, η ώθηση προκύπτει από το πανί που αντανακλά  την ακτινοβολία. Αυτό έχει αποτέλεσμα, ένα βέλτιστο ιστίο θα πρέπει να αντανακλά την πλειονότητα της ακτινοβολίας στο φάσμα του εγγύς υπέρυθρων ακτίνων από ένα λέιζερ, ενώ θα εκπέμπει ταυτόχρονα ακτινοβολία στη περιοχή της μέσης υπέρυθρης ακτινοβολίας για αποτελεσματική ψύξη με ακτινοβολία.

Νανοφωτονικά πανιά

Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nano Letters , οι ερευνητές Ognjen Ilic, Cora Went και Harry Atwater στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας, έχουν δείξει ότι οι νανοφωτονικές δομές μπορεί να έχουν τις δυνατότητες να πληρούν τις αυστηρές απαιτήσεις των υλικών για ιστία ικανά να ταξιδεύουν με σχετικιστικές ταχύτητες .

Οι  νανοφωτονικές δομές έχουν την ικανότητα να χειρίζονται το φως σε μια χωρική κλίμακα μικρότερη από το μήκος κύματος του, δίνοντάς τους ένα πλεονέκτημα στην αντιμετώπιση των ταυτόχρονων απαιτήσεων για αποτελεσματική πρόωση (ανάκλαση) και θερμική διαχείριση (εκπομπή). Για παράδειγμα, οι ερευνητές έδειξαν ότι μια στοίβα από δύο στρώματα πυριτίου και διοξείδιο του πυριτίου δείχνει ότι είναι πολλά υποσχόμενο, λόγω των συνδυασμένων ιδιοτήτων και των δύο υλικών. Ενώ το πυρίτιο έχει μεγάλο δείκτη διάθλασης – ο οποίος αντιστοιχεί στην αποτελεσματική πρόωση – αλλά κακή ικανότητα ψύξης, το διοξείδιο του πυριτίου έχει καλές ακτινοβολικές ιδιότητες ψύξης αλλά μικρότερο δείκτη διάθλασης.

Στην επιστολή τους, οι ερευνητές πρότειναν επίσης μια νέα μορφή προτερήματος που συμβιβάζει την χαμηλή μάζα των ιστίων και την υψηλή ανακλαστικότητα. Στο μέλλον, αυτή η ιδέα θα βοηθήσει στην ελαχιστοποίηση των περιορισμών στην ισχύ του λέιζερ και στο μέγεθος της συστοιχίας λέιζερ .

Ιστορικό στα ελαφρά πανιά

 

ikaros_main_001Καλλιτεχνική απεικόνιση του Ιαπωνικού διαστημόπλοιου με ιστία Ikarus

Παρόλο που έχει σχεδιαστεί σχεδόν έναν αιώνα πριν, μόνο τις τελευταίες δεκαετίες η τεχνολογία έφθασε σε επίπεδα για να προωθούν ένα διαστημικό σκάφος με την πίεση του φωτός. Εμπνευσμένο από τον τρόπο που η ακτινοβολία του Ήλιου ωθεί την ουρά του κομήτη προς την αντίθετη κατεύθυνση, οι αρχαιότερες έννοιες ήταν ηλιακά πανιά που χρησιμοποιούν την ακτινοβολία από το ηλιακό φως παρά από τα λέιζερ.

Το πρώτο ηλιακό πανί ξεκίνησε το 2010 από την Ιαπωνική Αεροδιαστημική Εξερευνητική Υπηρεσία (JAXA) και έφτασε επιτυχώς στην τροχιά της Αφροδίτης σε έξι μήνες. Τροφοδοτούμενο μόνο από την πίεση της ακτινοβολίας του ηλιακού φωτός, το ηλιακό ιστίο πέτυχε επιτάχυνση 100 μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Τώρα οι ερευνητές εργάζονται στο σχεδιασμό ηλιακών ιστίων ικανών να επιταχύνουν μερικά χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, που είναι ανταγωνιστικά με την επιτάχυνση των πυραύλων και προσφέρει τη δυνατότητα να ξεκινήσουν διαστημόπλοια χωρίς το κόστος δισεκατομμυρίων δολαρίων των συμβατικών προωθητικών.

Παρόλο που τα ηλιακά πανιά μπορούν να επιτύχουν ταχύτητες που μοιάζουν με ρουκέτες, η ακτινοβολία του ήλιου είναι σχετικά αδύναμη σε σύγκριση με μια συστοιχία λέιζερ υψηλής ισχύος. Αυτό έχει αποτέλεσμα, μια συστοιχία λέιζερ να προσφέρει το δυναμικό για μια πολύ ταχύτερη πρόωση, μέχρι τις σχετικιστικές ταχύτητες – αλλά χρειάζεται περισσότερη δουλειά πριν από την εμφάνιση τέτοιων πλωτών ιστίων με λέιζερ . 

 Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share