Zrobiliśmy pierwszy krok w kierunku Alfa Centauri. Do obcych gwiazd zaniosą nas żagle

Pomysł podróżowania przez przestrzeń międzygwiezdną za pomocą statków kosmicznych napędzanych laserami uderzającymi w ultracienkie żagle może brzmieć jak coś z powieści science fiction. Ale w rzeczywistości inicjatywa Breakthrough Starshot Initiative, rozpoczęta w 2016 r. przez Stephena Hawkinga, Marka Zuckerberga i Yuri Milnera, zajmuje się tym pomysłem na poważnie.

Zasada działania tego systemu jest prosta, choć wymaga zaawansowanej technologii. Laser wystrzelony z Ziemi uderza w ultracienką powierzchnię żagla, przekazując mu energię i powodując jego przyspieszenie. Im lżejszy żagiel, tym większa skuteczność napędu.

Wyobraźcie sobie żagiel tak cienki, że prawie przezroczysty i wystawiony na potężny strumień energii z lasera. Żagle te będą "żeglować" na fotonach z laserów, osiągając prędkości dotąd niewyobrażalne dla statków kosmicznych.

Ma to pozwolić na osiągnięcie ogromnych prędkości i dotarcie do najbliższego nam układu gwiezdnego, Alfa Centauri, położonego w odległości 4,367 roku świetlnego od Ziemi.

Choć projekt jest ambitny, to inżynierowie już robią pierwsze kroki w stronę jego realizacji. Naukowcy z California Institute of Technology (Caltech) opracowali właśnie platformę do badania ultracienkich membran, które mogą posłużyć jako świetlne żagle przyszłości. Kluczowym aspektem ich pracy jest dokładne zmierzenie siły, jaką lasery będą mogły wywierać na takie struktury.

Atwater i jego koledzy z Caltech opracowali platformę do badania ultracienkich membran, które pewnego dnia mogłyby zostać wykorzystane do produkcji tych żagli świetlnych. Ich platforma testowa obejmuje sposób pomiaru siły, jaką lasery wywierają na żagle, a która zostanie wykorzystana do napędzania statku kosmicznego w przestrzeń kosmiczną.

Eksperymenty zespołu stanowią pierwszy krok w przejściu od teoretycznych propozycji i projektów żagli świetlnych do rzeczywistych obserwacji i pomiarów kluczowych koncepcji i potencjalnych materiałów.

Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie Nature Photonics.

Aby przyjrzeć się szczegółom pracy amerykańskich badaczy, zejść musimy do naprawdę niewielkich odległości.

Naukowcy wykorzystali sprzęt Kavli Nanoscience Institute w Caltech oraz technikę zwaną litografią wiązką elektronową, aby precyzyjnie utworzyć wzór membrany azotku krzemu o grubości zaledwie 50 nanometrów, tworząc coś, co wygląda jak mikroskopijna trampolina. 50 nanometrów to zaledwie 0,00005 milimetra. Dla porównania grubość ludzkiego włosa to średnio od 0,04 do 0,06 mm.

Miniaturowa trampolina, kwadrat o szerokości zaledwie 40 mikronów i długości 40 mikronów, jest zawieszona na rogach na sprężynach z azotku krzemu. Następnie zespół uderzył membranę światłem lasera argonowego. Celem było zmierzenie ciśnienia promieniowania, jakiemu poddany był miniaturowy żagiel świetlny, poprzez pomiar ruchów trampoliny podczas poruszania się w górę i w dół.

Żagiel działa jak mechaniczny rezonator, wibrując jak trampolina, gdy uderzy w niego światło. Metoda pozwala urządzeniu działać dodatkowo jako miernik mocy, mierząc zarówno siłę, jak i moc wiązki laserowej.

Inżynierowie zintegrowali też interferometr z mikroskopem, którego użyli do badania miniaturowego żagla, i umieścili urządzenie w specjalnie zaprojektowanej komorze próżniowej. Następnie mogli zmierzyć ruchy żagla rzędu pikometrów (biliardowych części metra), a także jego sztywność mechaniczną, czyli to, jak bardzo sprężyny odkształcały się, gdy żagiel był popychany przez ciśnienie promieniowania lasera.

Ponieważ naukowcy wiedzieli, że żagiel świetlny w kosmosie nie zawsze pozostaje prostopadły do ​​źródła lasera na Ziemi, ustawili wiązkę lasera pod odpowiednim kątem i ponownie zmierzyli siłę, z jaką laser popychał miniaturowy żagiel.

Zespół ma nadzieję wykorzystać metamateriały - materiały starannie zaprojektowane w tak małej skali, aby miały pożądane właściwości - aby pomóc kontrolować ruch boczny i obrót miniaturowego żagla świetlnego.

Więcej o podróżach do innych gwiazd przeczytasz na Spider's Web:

Podróż do Alpha Centauri to ambitny cel, ale zanim do niego dojdzie, naukowcy muszą odpowiedzieć na wiele pytań. Jak żagle będą reagować na mikrometeoroidy? Jak poradzić sobie z utrzymaniem stabilności tak małych pojazdów w przestrzeni kosmicznej? Jak zapewnić precyzyjne celowanie laserów na odległość setek milionów kilometrów?

Mimo tych wyzwań projekt Breakthrough Starshot Initiative to jedna z najbardziej ekscytujących wizji przyszłości kosmicznych podróży. Jeśli uda się go zrealizować, będzie to pierwszy krok ludzkości w stronę eksploracji innych systemów gwiezdnych. Może więc w niedalekiej przyszłości spojrzymy w nocne niebo, wiedząc, że gdzieś tam, w otchłani kosmosu, pędzą maleńkie statki – nasi pierwsi międzygwiezdni zwiadowcy.

Koncepcja Breakthrough Starshot Initiative zakłada wystrzelenie „statku-matki ” przenoszącego około tysiąca maleńkich statków kosmicznych na wysoką orbitę okołoziemską. Następnie lasery rozmieszczone na Ziemi skupiłby wiązkę światła na żaglach tych statków, aby w ciągu 10 minut przyspieszyć je jeden po drugim do docelowej prędkości około 216 milionów km/h, co stanowi 20 proc. prędkości światła.

Z tą prędkością podróż z Ziemi do Słońca zajęłaby im mniej niż godzinę, ale celem będzie nie nasza gwiazda, a Alfa Centauri. Taka podróż trwałaby od 20 do 30 lat. Długo? Być może, ale to i tak szybciej niż z jakimkolwiek innym napędem znanym aktualnie ludzkości. Na informację zwrotną z sond, które dotarły do celu czekalibyśmy ponad 4 lata.

Każdy statek kosmiczny, które nazwano wstępnie StarChip, miałby wymiary kilku centymetrów i ważyłby kilka gramów. Planowane jest wysłanie roju około 1000 jednostek, co miałoby zrekompensować potencjalne straty spowodowane zderzeniami z pyłem międzygwiazdowym w drodze do celu.

Na pokładzie każdej sondy znajdowałyby się kamera, komputer i laser komunikacyjny. Wszystkie komponenty muszą zostać zaprojektowane tak, aby wytrzymać ekstremalne przyspieszenie, zimno i próżnię.