Materiali riflettenti innovativi per accelerare le sonde spaziali lontane anni luce

Masumi ShibataUn'illustrazione della navicella spaziale Starshot Lightsail durante l'accelerazione da parte di un array laser a terra

9 febbraio 2022

Viaggiare verso Alpha Centauri, il nostro vicino più vicino al sistema stellare a 4,37 anni luce di distanza, richiederebbe molto più di una vita. Anche una delle sonde più veloci mai lanciate dall’umanità, la Voyager 1, impiegherebbe più di 70.000 anni per arrivare lì alla velocità attuale di 61.500 chilometri all’ora.

Tuttavia, l’allettante prospettiva di raggiungere altre stelle nel corso della nostra vita ha motivato molti ingegneri a elaborare approcci creativi per accelerare la propulsione dei veicoli spaziali, comprese le vele leggere guidate dal laser. Invece di sfruttare il vento come i loro antichi cugini di bordo, le vele leggere sono azionate dalla luce riflessa dalle loro superfici.

Fondato daStarshot rivoluzionario, un programma di ricerca e ingegneria da 100 milioni di dollari che mira a sviluppare una nuova tecnologia per i viaggi interstellari senza equipaggio, la ricerca è stata recentemente pubblicata su Nano Letters. In due documenti separati, i gruppi hanno proposto e valutato nuovi concetti nella forma, nelle dimensioni e nei materiali delle future vele leggere progettate per accelerare rapidamente rimanendo fresche in modo da non surriscaldarsi ed evaporare nello spazio.

Un potente impulso laser irradiato dalla superficie terrestre fornirebbe la spinta necessaria per raggiungere le grandi velocità richieste per viaggi interstellari più veloci. Questo raggio accelererebbe un piccolo "nanocraft", non più pesante di un terzo di oncia, attraverso il vuoto dello spazio. Se progettata correttamente, una tale navicella spaziale potrebbe raggiungere velocità pari a circa il 20% della velocità della luce, circa 3,6 milioni di chilometri orari. A quelle velocità, la navicella spaziale diretta ad Alpha Centauri potrebbe raggiungere la sua destinazione in circa 30 anni e potrebbe quindi trasmettere immagini e misurazioni sulla Terra.

L’umanità non ha mai accelerato oggetti macroscopici a velocità così relativistiche prima. Per raggiungere questo traguardo, sono necessarie proprietà estreme di tutti i componenti coinvolti, dai laser alla sonda ultraleggera, nonché della vela stessa.

Le vele devono essere straordinariamente leggere – molto più leggere di una piuma – ma in grado di riflettere adeguatamente la luce del laser per spingersi in avanti. Una vela di circa 2 metri di diametro potrebbe pesare meno di un grammo, o qualche millesimo di libbra.

Inuno dei documenti, i gruppi di ricerca hanno affrontato una sfida fondamentale affrontata dalle vele a luce laser: assorbire anche una piccola frazione della luce laser su una vela potrebbe distruggerla.

"Abbiamo dimostrato progetti che hanno la capacità di accelerare rapidamente la vela e l'imbarcazione che trascina, assicurandoci che non si disintegrino immediatamente." disse Aaswath Raman.

"Sfortunatamente, quando si punta un potente laser verso qualcosa, anche se assorbe una piccolissima frazione della luce laser, tenderà a diventare molto caldo", ha detto Aaswath Raman, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali dell'UCLA che ha guidato questo studio. studio. "Abbiamo mirato a risolvere questo problema progettando vele leggere su scala nanometrica che sfruttano proprietà materiali uniche e comportamenti ottici che si verificano quando i materiali sono strutturati su scale paragonabili alla lunghezza d'onda della luce in arrivo. Abbiamo dimostrato progetti che hanno la capacità di accelerare rapidamente la vela e il mestiere che si trascina, assicurandosi che non si disintegri immediatamente."

Precedenti ricerche sulle vele leggere si erano concentrate sull'aumento della velocità del veicolo a scapito della durabilità o viceversa, ma il team dell'UCLA-UPenn mira a trovare un equilibrio realistico tra i due.

Il team ha incorporato il disolfuro di molibdeno, un materiale “2D” emergente atomicamente sottile con un alto indice di rifrazione, insieme al nitruro di silicio, un materiale che ha anche le proprietà necessarie per irradiare il calore in modo efficace. I loro modelli mostrano che questo disegno della vela potrebbe non solo sopravvivere alla fase di accelerazione iniziale che spinge le vele leggere in avanti, ma anche raggiungere la velocità target a una distanza vicina alla Terra. Questo è importante perché il laser che mira alla vela verrà irradiato dalla Terra e non potrà spingere la vela una volta che il veicolo avrà superato una certa distanza.