Tuskegee Üniversitesi’nden bilim insanları kavramsal araştırma yapıyor hafif yelkenler yıldızlararası yolculuk için bir kanıt gösterdik. fotonik ışık kristali Önceki tasarımlara göre daha verimli olan yelken tasarımı.
Konseptine dayanarak yönlendirilmiş enerji tahrikidevasa güçlerle hareket ettirilen hafif yelkenler lazerler insansız sondaları %20’ye kadar hızlandırabilir ışık hızıGeleneksel kimyasal roketlerin Dünya’nın en yakın yıldız komşusuna ulaşması için gereken yüzbinlerce yıl yerine, yakınlardaki yıldızlara misyonların birkaç on yıl içinde gerçekleştirilmesini mümkün kılıyor, Proksima Centauri.
Önerilen fotonik kristal ışık yelkeninin arkasındaki araştırma ekibi, tasarımlarının yakın vadede mümkün olabileceğini öne sürüyor gezegenlerarası misyonlar ve potansiyel olarak daha uzun vadeli sonuçlara yol açabilir yıldızlararası görevler diğerine yıldız sistemleri.
Işık Hızının Yüzde 20’sine Giden Hafif Yelkenler Proxima Centauri’ye 20 Yılda Ulaşabilir
İnsanlar uzaya ulaşmak için yalnızca kimyasal roketlere güveniyor. Ötesini keşfetmek için Dünyanın yörüngesibu roketler ek taşımalıdır yakıt. Ancak yakıt eklemek ağırlığı arttırır ve daha da fazla yakıt gerektirir. Mühendisler bu değiş tokuşu roket denklemi adı verilen matematiksel bir araçla ölçtüler.
Bazı yeni alternatifler ortaya çıkarken, örneğin elektrikli tahrikolanak vermek uydular Yörüngede manevra yapmak ve hatta derin uzayı keşfetmek için düşük hızları aynı zamanda insan ömrü boyunca kat edebilecekleri mesafeyi de sınırlıyor. Bilgilendirme gibi kulağa bilimkurgu gibi gelen bazı alternatifleri ele aldı. Rüzgar Sürücüsü plazma mıknatısları ve çözgü sürücüleriancak bu seçenekler ya çok yavaş ya da uygulanabilir yıldızlararası itki sistemleri olarak hizmet edemeyecek kadar teorik.
Son zamanlarda araştırmacılar hafif yelken kavramını araştırdılar. Güneş rüzgarının basıncıyla “yelken açan” güneş yelkenlerinin daha iyi bilinen konseptine benzer şekilde, hafif yelkenler, giderek daha yüksek hızlarda yelken açmak için bir ışık kaynağından gelen enerjiyi kullanır. Bu tasarım, yerleşik itici gaz ihtiyacını ortadan kaldırır.
Önerilen gibi bazı tahminler Çığır açan Starshot girişimimevcut teknolojinin, ışık hızının %20’sine ulaşabilen güçlü bir lazerle çalıştırılan, hafif yelken donanımlı bir mikro sonda tasarlayabileceğini öne sürüyor. Bu hızda böyle bir sonda Proxima Centauri’ye 20 yıldan biraz daha uzun bir sürede ulaşabilir.
Görünüşte kimyasal itiş gücüne pratik bir alternatif olsa da, hafif yelkenlerin pratik uygulaması mühendislik zorlukları nedeniyle sınırlıdır. Örneğin mevcut tasarımlar metal kaplı polimer filmler önermektedir. Bu malzemeler enerji yansıtma ve dayanıklılığın uygun bir kombinasyonunu sunar.
Ancak bu tasarımlar aynı zamanda yönlendirilen enerjinin bir kısmını da emerek ısıya dönüştürür. Yansıtıcılığı artırarak bu boşa harcanan ısıyı yakalama çabaları, malzeme eklenmesini ve dolayısıyla ağırlığın arttırılmasını içerir. Sonuç olarak, hafif yelken tasarımcıları roket denklemine benzer bir ödünleşimle karşılaştılar.
Fotonik Işık Kristal Yelkenleri Yansımayı ve İtkiyi Nasıl Artırıyor?
Bir göre ifade Önerilen fotonik ışık kristali yelken tasarımını duyuran yelkenin yapısı, üç dielektrik bileşenden oluşan nano ölçekli desenlerden oluşuyor. İlk katman germanyum sütunlardan, ikinci katman hava deliklerinden ve son katman ise polimer matristen oluşuyor.
Geleneksel ışık yelkenleri iki malzeme fotonik yapısından yapılırken, yüksek endeksli germanyum sütunların, düşük endeksli hava boşluklarının ve polimer ana bilgisayarın üç katmanlı dielektrik malzeme kombinasyonu, araştırma ekibinin “itkiye özgü yansıtma için optimize edilmiş” olarak tanımladığı dalga boyu seçici bir fotonik bant aralığı yapısı oluşturur.
“Bu konfigürasyon, itici dalga boyunda ortalanmış dar bir fotonik bant aralığı oluşturuyor ve bu, tasarlanan bandın dışında büyük ölçüde şeffaf kalırken, o spektral pencere içinde yüksek yansıtmayla sonuçlanıyor” diye açıklıyorlar.
Araştırmacılar, ışık yelkeni tasarımlarının olağanüstü yansıtıcılığını, ışığın yayılmasını kontrol eden dielektrik malzemelerdeki nano ölçekli desenlere bağladılar. Ayrıca, farklı ‘kırılma indekslerine’ sahip malzemeleri düzenleme yeteneğinin, “yapıdan geçemeyen ve bunun yerine yansıtılan bir dalga boyu aralığı” olarak tanımlanan bir fotonik boşluk yaratabildiklerini de belirttiler.
Tuskegee Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan çalışma yazarı Dimitar Dimitrov, “İtki lazeri frekansı ile hizalanmış dar bir fotonik bant aralığı tasarlayarak, önerilen yelken, belirli çalışma bandında yüksek yansıtmayı korurken, çoğunlukla ortamdaki güneş ışınımına karşı şeffaf kalabilir” dedi.
Deneyler Geliştirilmiş Yelken Malzemesi Performansını Doğruluyor
Konsepti test etmek için Tuskegee ekibi, düzlem dalga genişlemesi ve sonlu fark zaman alanı simülasyonlarını kullanarak bir fotonik kristal yapı tasarladı. Ekip, çeşitli simülasyonlar yürüttükten sonra 1,2 mikrometre dalga boyunda yaklaşık %90 yansıtma oranı elde etti.
Başarılı simülasyonların ardından ekip, hafif yelkenlerde kullanılanlar gibi gerçek dünyaya ait ‘kavram kanıtı’ malzeme membranları üretti. Ekip, bitmiş ürünün hassas doğası nedeniyle elektron ışınlı litografi ve vakum biriktirme yöntemini kullandı.
“Membranlar, desenli polimer şablonlama, seçici germanyum biriktirme, kaldırma işlemi ve ikincil elektron ışını yapılandırmasını içeren sıralı bir nanolitografi ve malzeme doldurma işlemi kullanılarak üretildi” diye açıkladılar.
Ekibe göre, bu çok adımlı üretim yaklaşımı, “200 nanometrenin altındaki ölçekte” üç dielektrik fotonik kristal mimarileri oluşturmalarına olanak sağladı. Fabrikasyon yapıların son versiyonları, 200 milimetre genişliğinde germanyum sütunlar ve 200 nanometre kalınlığında bir polimer katmana gömülü 400 nanometre çapında hava delikleri içeriyordu.
Ekip, bu seviyedeki hassas mühendisliği ve nano ölçekli modellemeyi bir elektron mikroskobu ile doğrulamayı başardı. Dimitrov, bu hassas, çok dielektrikli kristal nanoyapıları inşa etmenin fizibilitesini göstermenin, ekibin çalışmasının “anahtar devamı” olduğunu söyledi.
Araştırmacı, “Sonuçlar, bunların düşük kütle, güçlü dalga boyu seçiciliği ve ölçeklenebilir üretim potansiyelini birleştirmek için tasarlanabileceğini gösteriyor” diye açıkladı.
Gelecekteki Gezegenlerarası Keşiflere Olanak Sağlayan Lazer Tahrikli Tahrik Cihazları
Araştırmacılar, kendi süreçleriyle yapılan ışık yelkenlerinin simüle edilmiş uzay uçuşu koşullarında yansıtıcılığı koruyup korumayacağını görmek için bir metrekarelik bir yelken modellediler ve onu 100 kW’lık bir lazerle aydınlattılar. Umduğumuz gibi bu testler, tasarımlarının sürekli itme gücü üretebileceğini gösterdi. Bu sonuçlar ayrıca, üç dielektrik malzemeden yapılmış hafif bir yelkenin, bir sondayı “idealleştirilmiş koşullar altında bir saat içinde saniyede birkaç yüz metrelik hızlara” kadar hızlandırabileceğini öne sürdü.
Bu hız yıldızlararası bir görev için gerekli olan hızın çok altında olsa da, araştırmacılar bu hızın aynı zamanda güneş sistemimizdeki gezegenler arası görevler için tasarlanan hafif yelkenlerin mevcut roket güdümlü görevlerden çok daha az zaman almasını sağlayacak kadar sağlam ve yansıtıcı olduğunu söyledi. Ayrıca, fotonik ışık kristali yelkeninin uzayda konuşlandırılmadan önce daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulacağını kabul ediyorlar ve çalışmalarının “teorik tasarımdan imalata olası bir yolu gösterdiğini” belirtiyorlar.
Dimitrov, “Mevcut sınırlamalara rağmen araştırmamız, çok dielektrikli fotonik kristal yelkenlerin tasarımı ve üretimi için bir temel oluşturabilir” diye açıkladı. “Lazerle çalışan tahrik için deneysel olarak doğrulanmış, ölçeklenebilir, hafif cihazlara giden bir yol sağlayabilir ve minimum yerleşik kütle ile gelecekteki gezegenler arası keşiflere olanak sağlayabilir.”
Çalışma “Fotonik kristal ışık yelkeninin tasarımı ve üretimi” dergisinde yayınlandı Nanofotonik Dergisi.
Christopher Plain, Bilim Kurgu ve Fantazi roman yazarı ve The Debrief’te Baş Bilim Yazarıdır. Onu takip edin ve onunla bağlantı kurun X, onun kitapları hakkında bilgi edinin plainfiction.comveya doğrudan şu adrese e-posta gönderin: [email protected].
