Wanneer door de mens gemaakte sondes eindelijk andere sterren bereiken, ze zullen niet worden aangedreven door raketten. In plaats daarvan, ze rijden misschien op een ragfijn zeil dat wordt opgeblazen door een gigantische laserstraal. Harry Atwater, Howard Hughes Hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Materiaalkunde, is projectleider van het Breakthrough Starshot Program, die probeert om deze sondes een realiteit te maken. In een nieuw artikel gepubliceerd op 7 mei in Natuurmaterialen , Atwater verkent enkele van de belangrijkste uitdagingen waarmee het project te maken zal krijgen in zijn poging om van de mensheid een interstellaire soort te maken. We hebben onlangs met hem om de tafel gezeten om over het programma te praten.

Wat is het Breakthrough Starshot-programma precies?

Het is een multidisciplinair project van $ 100 miljoen dat in 2016 werd aangekondigd. gericht op het ontwerpen van een ruimtevaartuig dat kan worden gelanceerd naar planeten rond andere sterren en deze binnen ons leven kan bereiken. Het idee is om ruimtevaartuigen te ontwikkelen die met bijna 20 procent van de lichtsnelheid kunnen reizen.

Waarom kan dat niet met conventionele raketten?

Het probleem met traditionele raketaandrijving is dat de uiteindelijke snelheid van de raket wordt beperkt door de uiteindelijke snelheid van de brandstof die door de raket wordt uitgestoten. Voor chemische drijfgassen, de bovengrens van de eindsnelheid is veel te laag. Het snelste ruimtevaartuig dat ooit is gelanceerd, zou tienduizenden jaren nodig hebben om de dichtstbijzijnde ster te bereiken. Alpha Centauri C. Dat is duidelijk onpraktisch voor een interstellaire missie.

Om dat te overwinnen, we zijn van plan om licht zelf als brandstof te gebruiken. Met andere woorden, we profiteren van het principe van behoud van momentum tussen licht en materialen. Als ik een reflecterend object heb en er licht op schijn, de terugspringende of reflecterende fotonen geven momentum aan het object. Als het object licht genoeg is, dat momentum kan fungeren als een voortstuwende kracht, en dan wordt de uiteindelijke snelheid van die sonde alleen beperkt door de snelheid van het licht zelf.

Wat is jouw rol in het project?

Ik ben adviseur van het Breakthrough Starshot-programma. Het programma kent drie grote technische uitdagingen:de eerste is het bouwen van de zogenaamde fotonenmotor, de laser die het zeil kan voortstuwen; de tweede is om het zeil zelf te ontwerpen; en de derde is het ontwerpen van de lading, dat zal een klein ruimtevaartuig zijn dat in staat is om beelden en spectrale gegevens te maken en ze vervolgens terug naar de aarde te sturen. Mijn rol is om het programma te helpen bij het definiëren van wegen om een ​​levensvatbaar lichtzeil te maken dat compatibel is met de andere doelstellingen van het hele programma. Makkelijk wordt het niet:we moeten een ultralicht grootschalig object maken dat stevig en dynamisch stabiel staat onder voortstuwing.

Welke andere uitdagingen zijn er?

De uitdagingen die we in ons nieuwste artikel behandelen, zijn het ontwikkelen van de ontwerp- en materiaalvereisten voor deze echt extreme reeks technische omstandigheden. We hebben iets nodig met een massa van niet meer dan een gram, maar die een oppervlakte van ongeveer 10 vierkante meter beslaat. Dat betekent dat de gemiddelde dikte in de orde van tientallen tot honderden nanometers zal liggen; veel dunner dan een mensenhaar.

Dit flinterdunne materiaal zal tijdens de voortstuwingsfase aan intense laserstraling worden blootgesteld, met een intensiteit van megawatt per vierkante meter. Dat is niet de hoogste intensiteit die ooit in een laboratorium is gegenereerd, maar het is een zeer hoge intensiteit om te communiceren met een ultradunne, ragfijne membraanstructuur van het soort waar we het hier over hebben. Dus de grootste vereiste is dat het ultrareflecterend moet zijn, zodat we momentum kunnen geven en het lichtzeil kunnen voortstuwen.

Zijn er materialen, of families van materialen, dat ziet er veelbelovend uit voor dit?

Ja. De beste materialen zijn die die diëlektrisch zijn, of isolerend, in plaats van metalen materialen, die elektrische ladingen overbrengen. Een goed voorbeeld van een diëlektricum dat iedereen kent, is glas, die zeer niet-absorberend is. Helaas, glas heeft een iets te lage reflectiviteit om een ​​efficiënte kandidaat te zijn voor lichtzeilmateriaal, maar toch wijst het de weg. De beste materialen om over na te denken zijn die met een hogere reflectiviteit maar evenzo lage absorptiecoëfficiënten.

Hoe sluit dit werk aan bij uw bredere onderzoeksdoelen?

Mijn onderzoeksteam is erg geïnteresseerd in hoe licht interageert met materialen op nanoschaal. of materialen die zijn gebeeldhouwd of gevormd op de schaal van de golflengte zelf. Een van de dingen die fascinerend is, is dat nanogestructureerde materialen in staat zijn om echt optimale afwegingen te maken tussen massa en reflectiviteit, en helpen ook om stabiliteit aan het zeil te geven. We hebben het zeil nodig om redelijk stabiel te zijn, wat betekent dat het niet van de laserstraal valt, bij wijze van spreken.