Op een dag in de niet zo verre toekomst, lichte zeilen kunnen door de ruimte razen met snelheden van ongeveer 20% van de lichtsnelheid (of 60, 000 km/sec), niet aangedreven door brandstof, maar door de stralingsdruk van krachtige lasers op aarde. Reizen met deze relativistische snelheden, laseraangedreven lichtzeilen zouden onze dichtstbijzijnde naburige ster (behalve de zon) kunnen bereiken, Alpha Centauri, of de dichtstbijzijnde bekende potentieel bewoonbare planeet, Proxima Centauri b, over ongeveer 20 jaar. Beide objecten bevinden zich op iets meer dan vier lichtjaar afstand.

Het ontwerpen van lichte zeilen is een grote technische uitdaging, echter, die tegenstrijdige kenmerken vereisen die bijna onmogelijk lijken:een ideaal lichtzeil moet enkele meters breed zijn en mechanisch robuust genoeg om intense stralingsdruk te weerstaan, toch slechts 100 nanometer dik zijn en slechts een paar gram wegen.

Verdere eisen vloeien voort uit het mechanisme waarmee lichtzeilen werken. Volgens de vergelijkingen van Maxwell, licht heeft momentum en kan daardoor druk uitoefenen op objecten. Echter, lichte zeilen worden niet zomaar voortgeduwd door stralingsdruk zoals een zeilboot door de wind wordt voortgeduwd. In plaats daarvan, de duw is het gevolg van het lichtzeil dat de straling weerkaatst. Als resultaat, een optimaal zeil moet het grootste deel van de straling in het nabij-infraroodspectrum van de laserstraal reflecteren, terwijl tegelijkertijd straling in het midden-infraroodbereik wordt uitgezonden voor efficiënte stralingskoeling.

Nanofotonische zeilen

In een nieuwe studie gepubliceerd in Nano-letters , onderzoekers Ognjen Ilic, Cora ging, en Harry Atwater van het California Institute of Technology, Pasadena, hebben aangetoond dat nanofotonische structuren het potentieel hebben om te voldoen aan de strenge materiaalvereisten voor lichte zeilen die met relativistische snelheden kunnen reizen.

Eerdere lichte zeilontwerpen hebben materialen gebruikt zoals ultradun aluminium, verschillende polymeren, en koolstofvezel. In tegenstelling tot deze materialen, nanofotonische structuren hebben het vermogen om licht op subgolflengteschalen te manipuleren, waardoor ze een voordeel hebben bij het voldoen aan de gelijktijdige vereisten van efficiënte voortstuwing (reflectie) en thermisch beheer (emissie). Als voorbeeld, de onderzoekers toonden aan dat een stapel van twee lagen silicium en silica veelbelovend is vanwege de gecombineerde eigenschappen van beide materialen. Terwijl silicium een ​​grote brekingsindex heeft - wat overeenkomt met een efficiënte voortstuwing - maar een slecht koelvermogen, silica heeft goede stralingskoeleigenschappen maar een kleinere brekingsindex.

In hun krant de onderzoekers stelden ook een nieuwe verdienste voor die de afweging meet tussen het bereiken van een lage zeilmassa en een hoge reflectiviteit. In de toekomst, dit concept zal helpen om de beperkingen op het laservermogen en de grootte van de laserarray te minimaliseren.

Achtergrond over lichte zeilen

Hoewel geconceptualiseerd voor bijna een eeuw, pas in de afgelopen decennia heeft technologie de vroege visies van wetenschappers ingehaald om een ​​ruimtevaartuig met de druk van licht voort te stuwen. Geïnspireerd door de manier waarop de straling van de zon de staart van een komeet in de tegenovergestelde richting duwt, de vroegste concepten waren zonnezeilen die de stralingsdruk van zonlicht gebruiken in plaats van lasers.

Het eerste zonnezeil werd in 2010 gelanceerd door het Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) en bereikte met succes de baan van Venus in zes maanden, alleen aangedreven door de stralingsdruk van zonlicht. Nu werken onderzoekers aan het ontwerpen van zonnezeilen die in staat zijn tot grotere versnellingen die concurreren met raketversnelling, de mogelijkheid bieden om ruimtevaartuigen te lanceren zonder de miljardenkosten van conventionele drijfgassen.

Hoewel zonnezeilen raketachtige snelheden kunnen bereiken, zonlichtstraling is relatief zwak in vergelijking met een high-power laserarray. Als resultaat, een laserarray biedt het potentieel voor een veel snellere voortstuwing, tot relativistische snelheden, maar er is meer werk nodig voordat dergelijke door laser aangedreven zeilen worden gedemonstreerd.

© 2018 Fys.org