Згідно з новим дослідженням, космічні кораблі зможуть летіти до далеких зірок, використовуючи вітрила з поверхнями, подібними поверхням компакт-дисків, які допоможуть їм залишатися «зосередженими» на лазерних променях.
Звичайні ракети, керовані хімічними реакціями, в даний час є домінуючою формою для космічних польотів. Тим не менш, вони не досить ефективні і швидкі, щоб досягти іншої зірки протягом життя людини.
Наприклад, хоча Альфа Центавра є найближчою до Землі зоряною системою, вона все одно знаходиться на відстані близько 4,37 світлових років, що становить 41,2 трильйона кілометрів або більш ніж в 276 000 разів більше відстані від Землі до Сонця.
Космічному апарату Voyager 1, запущеному 1977 року і який досяг міжзоряного простору 2012 року, потрібно близько 75 000 років, щоб долетіти до Альфи Центавра, якби він летів у напрямку до неї.
Велика проблема всіх двигунів на сучасних космічних кораблях полягає в тому, що паливо, яке кораблі несуть з собою, має масу. Тривалі польоти вимагають багато палива, що робить космічні кораблі важкими, що, в свою чергу, вимагає більше палива, робить їх важче і так далі. Ця проблема експоненційно погіршується зі збільшенням маси космічного корабля.
Попередні дослідження показали, що «легкий космічний парус» може бути одним з технічно здійсненних способів створити зонд для польоту до іншої зірки протягом життя людини.
Численні експерименти показали, що такі «сонячні вітрила» можуть покладатися на сонячне світло як рушій, враховуючи досить велике дзеркало і досить легкий космічний корабель.
Ініціатива Breakthrough Starshot вартістю 100 мільйонів доларів, про яку було оголошено в 2016 році, планує запустити до Альфи Центавра безліч космічних кораблів розміром з мікрочіп, кожен з яких оснащений надзвичайно тонкими, неймовірно відбиваючим вітрилом, і буде приводитися в рух найпотужнішими з коли-небудь створених лазерів. За планом мікро-кораблі летітимуть зі швидкістю до 20% від світлової і досягнуть Альфи Центавра приблизно через 20 років.
Одна з проблем, пов'язаних з використанням лазерних вітрил, полягає в тому, що, якщо вони відхиляються від вирівнювання з лазерними променями, які будуть базуватися тут, на Землі, принаймні на початковому етапі, вони можуть сильно відхилитися від курсу.
Тепер вчені розробили і випробували новий парус, який в принципі міг би автоматично центруватися на лазерному промені протягом необхідних декількох хвилин, дозволяючи космічному кораблю рухатися за курсом для міжпланетних або навіть міжзоряних подорожей.
Новий парус спирається на структури, відомі як дифракційні решітки, найбільш відомі версії яких можна побачити на CD і DVD. Дифракційна решітка являє собою поверхню, покриту серією регулярно розташованих мікроскопічних виступів або щілин, які можуть розсіювати або збирати світло, змушуючи хвилі різної довжини або кольору поширюватися в різних напрямках.
Вчені побудували вітрило, що складається з двох дифракційних решіток, розташованих поруч. Кожна решітка була зроблена з вирівняних рідких кристалів, які містилися в пластиковому листі. Подібні рідкі кристали часто використовуються в електронних дисплеях відеоекранів і цифрових годинників.
Попередні легкі конструкції вітрил діють як дзеркала, що відображають промені світла назад до своїх джерел. У новій конструкції рідкі кристали в кожній дифракційній решітці відхиляють світлові промені під кутом, створюючи сили, які направляють вітрило як назад, так і в бік.
Решітка на лівому боці нового вітрила відхиляє світло праворуч від лазерного променя, тоді як решітка на правому боці відхиляє світло вліво. Якщо парус дрейфує так, що лазерний промінь падає на будь-яку сторону вітрила, це повертає вітрило назад в положення зі світлом, що падає на центр вітрила.
У результаті дослідники створили вітрил, що генерує сили повторного центрування, які повертали його у відповідність з напрямком лазерного променя.
«Було дуже приємно виявити, що експериментальні результати узгоджуються з нашими теоретичними передбаченнями», - кажуть вчені. «Ця угода передбачає, що ми можемо впевнено проектувати більш складні дифракційні структури для легких вітрил, керованих або сонячним світлом, або лазерним променем».
Дослідники зараз експериментують з вітрилами, здатними центруватися, якщо вони дрейфують у будь-якому напрямку, а не тільки вліво або вправо. Вони припустили, що в майбутньому їх вітрила можна буде випробувати на Міжнародній космічній станції або на невеликому орбітальному супутнику.
Результати опубліковані онлайн в журналі Physical Review Letters.
