Ruimtevaartuigen uitgerust met zeilen en aangedreven door de zon zijn niet langer het spul van sciencefiction of theoretische ruimtemissies. Nutsvoorzieningen, een onderzoeker van het Rochester Institute of Technology tilt zonnezeilen naar een hoger niveau met geavanceerde fotonische materialen.

Metamaterialen - een nieuwe klasse van door de mens gemaakte structuren met onconventionele eigenschappen - zouden de volgende technologische sprong voorwaarts kunnen betekenen voor zonnezeilen, volgens Grover Swartzlander, professor in het Chester F. Carlson Center for Imaging Science van het RIT. Hij stelt voor om reflecterende metalen zeilen te vervangen door diffractieve metafilm zeilen. De nieuwe materialen kunnen worden gebruikt om gereflecteerde of doorgelaten fotonen te sturen voor nabije aarde, interplanetaire en interstellaire ruimtevaart.

"Diffractieve films kunnen ook worden ontworpen om zware en storingsgevoelige mechanische systemen te vervangen door lichtere elektro-optische bedieningselementen zonder bewegende delen, " hij zei.

Swartzlander leidt een verkennend onderzoek dat wordt ondersteund door fase één financiering van NASA's Innovative Advanced Concepts-programma. De negen maanden, $125, 000 award stimuleert de ontwikkeling van visionaire technologie met potentieel om toekomstige ruimteverkenning te revolutioneren. De Optical Society organiseert een incubatorbijeenkomst, Metamateriaalfilms voor voortstuwing in de ruimte door stralingsdruk, 7-9 oktober in Washington, gelijkstroom, om een ​​routekaart te maken voor het voortbewegen van metamateriaal zeilen op lage satellieten in een baan om de aarde, CubeSats genaamd. Swartzlander zal de ontmoeting met medeorganisatoren Les Johnson, manager van het In-Space Propulsion Technology Projects Office bij NASA Marshall Space Flight en hoofdonderzoeker van de NASA Near-Earth Asteroid Scout-missie, of NEA Scout; en Nelson Tabirian, voorzitter van BEAM Co., die gespecialiseerd is in optische technologieën en materialen.

"CubeSats worden van groot nationaal belang voor de wetenschap, veiligheids- en commerciële doeleinden, " zei Swartzlander. "Het potentieel om te verhogen, de-orbit of station-houd honderden CubeSats van een lage baan om de aarde zou een erkende game changer zijn die enthousiasme en pleitbezorging zou opbouwen onder de groeiende kleine-satellietgemeenschap van studenten, ondernemers en ruimtevaartwetenschappers en ingenieurs."

NEA Scout zal de eerste CubeSat-wetenschappelijke missie zijn met bevestigde zeilen. Het is een van de 13 satellieten die wetenschappelijk en technologisch onderzoek zullen uitvoeren als onderdeel van NASA's Exploration Mission-1. EM-1 is gepland om dit jaar te lanceren op de nieuwe Space Launch System-raket. Wanneer ingezet, Het met aluminium gecoate polyimide zeil van NEA Scout zal zonlicht weerkaatsen om het verkenningsrobotruimtevaartuig voort te stuwen tijdens zijn tweejarige cruise.

Swartzlander zei dat diffractieve metafilmzeilen bekende beperkingen van reflecterende metalen zeilen kunnen corrigeren - oververhitting, inefficiënt gebruik van fotonen en overmatige kanteling van het ruimtevaartuig, omdat de nieuwe materialen:

• Lagere absorptie:de voorgestelde diffractieve oppervlakken zouden problemen die inherent zijn aan de metaalcoatings, elimineren, die de zeilsubstraten verhitten en aantasten;
• Hergebruik van fotonen:diffractieve zeilen zouden doorgelaten fotonen recyclen, ze omzetten in zonne-energie of het licht twee keer verstrooien voor extra momentum. (Reflecterende zeilen reflecteren fotonen terug in de ruimte of absorberen in de metalen coating); en
• Verbeterde oriëntatie:diffractieve zeilen behouden een efficiëntere positie naar de zon gericht, waardoor een zeer efficiënte voortstuwing en opwekking van elektrische zonne-energie op ingebouwde fotovoltaïsche cellen mogelijk is. (Reflecterende zeilen werken het beste als het ruimtevaartuig gekanteld is. deze oriëntatie vermindert de projectie van zonne-energie op het zeil.)

"Diffractieve zeilen kunnen ook worden ontworpen voor voortstuwing op basis van lasers, een decennia oud concept dat recentelijk veel belangstelling heeft gewekt van particuliere investeerders, resulterend in een programma genaamd Breakthrough Starshot, ' zei Swartzlander.

Een leider in zijn vakgebied, Swartzlander heeft baanbrekend onderzoek gedaan naar de optische vortex coronagraaf, optische draaikolken, solitons, coherentie theorie, optische pincet en optische lift. Hij is hoofdredacteur van de Journal of the Optical Society of America B .