Bir sanatçının, yer tabanlı bir lazer dizisi tarafından hızlandırma sırasında Starshot Lightsail uzay aracına ilişkin anlayışı. Önceki ışık yelkenleri kavramları, onların güneşten gelen ışık tarafından pasif bir şekilde itildiğini hayal ediyordu, ancak Starshot’ın lazer tabanlı yaklaşımı, hızlanma sırasında erimemesi veya yırtılmaması için yelkenin şeklini ve kompozisyonunu yeniden düşünmeyi gerektiriyor. Kredi: Masumi Shibata, Breakthrough Initiatives’in izniyle
Gökbilimciler, uzay aracının fırlatılmasını on yıllardır bekliyorlar.[{” attribute=””>James Webb Space Telescope, which promises to peer farther into space than ever before. But if humans want to actually reach our nearest stellar neighbor, they will need to wait quite a bit longer: a probe sent to Alpha Centauri with a rocket would need roughly 80,000 years to make the trip.
Igor Bargatin, Associate Professor in the Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics, is trying to solve this futuristic problem with ideas taken from one of humanity’s oldest transportation technologies: the sail.
As part of the Breakthrough Starshot Initiative, he and his colleagues are designing the size, shape, and materials for a sail pushed not by wind, but by light.
Using nanoscopically thin materials and an array of powerful lasers, such a sail could carry a microchip-sized probe at a fifth of the speed of light, fast enough to make the trip to Alpha Centauri in roughly 20 years, rather than millennia.
“Reaching another star within our lifetimes is going to require relativistic speed, or something approaching the speed of light,” Bargatin says. “The idea of a light sail has been around for some time, but we’re just now figuring out how to make sure those designs survive the trip.”
Much of the earlier research in the field has presumed that the sun would passively provide all of the energy that light sails would need to get moving. However, Starshot’s plan to get its sails to relativistic speeds requires a much more focused source of energy. Once the sail is in orbit, a massive array of ground-based lasers would train their beams on it, providing a light intensity millions of times greater than the sun’s.
Given that the lasers’ target would be a three-meter-wide structure a thousand times thinner than a sheet of paper, figuring out how to prevent the sail from tearing or melting is a major design challenge.
Bargatin, Deep Jariwala, Assistant Professor in the Department of Electrical and Systems Engineering, and Aaswath Raman, Assistant Professor in the Department of Materials Science and Engineering at the UCLA Samueli School of Engineering, have now published a pair of papers in the journal Nano Letters that outline some of those fundamental specifications.
One paper,[1] Bargatin tarafından yönetilen, Starshot’ın ultra ince alüminyum oksit ve molibden disülfür tabakalarından yapılması önerilen hafif yelkenlerinin, önceki araştırmaların çoğunun varsaydığı gibi, düz kalmaktan ziyade bir paraşüt gibi kabarması gerektiğini gösteriyor.
Bargatin, “Buradaki sezgi, ister bir yelkenlide isterse uzayda olsun, çok sıkı bir yelkenin gözyaşlarına çok daha yatkın olduğudur” diyor. “Bu kavraması nispeten kolay bir kavram, ancak bu malzemelerin bu ölçekte nasıl davranacağını gerçekten göstermek için çok karmaşık bir matematik yapmamız gerekiyordu.”
Bargatin ve meslektaşları, düz bir levha yerine, kabaca genişliği kadar derin olan kavisli bir yapının, dünyanın yerçekiminin binlerce katı olan bir yelkenin hiper ivmesinin gerilimine en fazla dayanabileceğini öne sürüyorlar.
Bargatin’in grubunda doktora sonrası araştırmacı ve ilk makalenin baş yazarı Matthew Campbell, “Lazer fotonları, havanın bir plaj topunu şişirmesi gibi yelkeni dolduracak” diyor. “Ayrıca, yırtılmaları ve çatlakları önlemek için hafif, basınçlı kapların küresel veya silindirik olması gerektiğini biliyoruz. Propan tanklarını ve hatta roketlerdeki yakıt tanklarını düşünün.”
Diğer kağıt,[2] Raman’ın önderliğindeki araştırma, yelken içindeki nano ölçekli desenlemenin güneşten milyonlarca kat daha güçlü bir lazer ışını ile birlikte gelen ısıyı en verimli şekilde nasıl dağıtabileceğine dair içgörüler sağlıyor.
Raman, “Yelkenler, gelen lazer ışığının küçük bir kısmını bile emerse, çok yüksek sıcaklıklara kadar ısınırlar,” diye açıkladı. “Böylece parçalanmadıklarından emin olmak için, uzayda mevcut olan tek ısı transferi modu olan ısılarını yayma yeteneklerini en üst düzeye çıkarmamız gerekiyor.”
Daha önceki hafif yelken araştırmaları, yelkenin “kumaşını” düzenli aralıklarla deliklerle süsleyen bir fotonik kristal tasarımı kullanmanın yapının termal radyasyonunu en üst düzeye çıkaracağını gösterdi. Araştırmacıların yeni makalesi, başka bir periyodiklik katmanı ekliyor: bir ızgarada birbirine bağlanmış yelken kumaşı örnekleri.
Işığın dalga boyuna uyan deliklerin aralıkları ve termal emisyon dalga boyuna uyan renk örneklerinin aralıkları ile yelken, lazerlerin hedeflerinde kalmaları için ihtiyaç duyacakları süreyi azaltarak daha güçlü bir ilk itmeye dayanabilir.
Jariwala, “Birkaç yıl önce, bu tür bir konsept üzerinde düşünmek veya teorik çalışma yapmak bile çok zorlayıcı kabul edildi” diyor. “Artık sadece bir tasarımımız yok, tasarımımız da laboratuvarlarımızda bulunan gerçek malzemelere dayanıyor. Gelecek için planımız bu tür yapıları küçük ölçeklerde yapmak ve yüksek güçlü lazerlerle test etmek olacak.”
Referanslar:
Matthew F. Campbell, John Brewer, Deep Jariwala, Aaswath P. Raman ve Igor Bargatin tarafından “Relativistic Light Sails Need to Billow”, 23 Aralık 2021, Nano Harfler.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03272
John Brewer, Matthew F. Campbell, Pawan Kumar, Sachin Kulkarni, Deep Jariwala, Igor Bargatin ve Aaswath P. Raman, 11 Ocak 2022, “Relativistic Lightsail Thermal Regülasyon için Çok Ölçekli Fotonik Emisivite Mühendisliği”, Nano Harfler.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03273
Jariwala’nın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Pawan Kumar ve Raman’ın UCLA Samueli’deki laboratuvarının üyeleri John Brewer ve Sachin Kulkarni bu araştırmaya katkıda bulundu.
Breakthrough Starshot, Evrendeki yaşamın temel sorularını araştıran bir uzay bilimi programları paketi olan Breakthrough Initiatives’in bir parçasıdır. Bu hayırsever girişimler, Yuri Milner ve eşi Julia tarafından kurulan Breakthrough Foundation tarafından finanse ediliyor.