Скорость света на 20%: напечатан первый световой парус для межзвёздных перелётов

Трехслойная плёнка толщиной в сотни нанометров выдерживает давление лазера мощностью 100 гигаватт и снижает время полёта к Альфе Центавра с 75 000 до 20 лет

Инженеры из Пенсильванского университета (UPenn), Калифорнийского технологического института (Caltech) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) реализовали концепцию лазерных межзвёздных полётов из теоретической физики в лабораторных условиях.

Команда разработала прототип наноламинатного (многослойного) светового паруса из дисульфида молибдена и оксида алюминия, обладающий высокой отражательной способностью и эффективным теплоотводом. Конструкция успешно решает давнюю проблему баланса между минимальной массой, оптической эффективностью и термической стойкостью, которые ранее рассматривались как взаимоисключающие. Результаты тестов и сравнительные показатели эффективности материала представлены в журнале Nature Communications.

Современные химические ракеты требуют от 75 000 до 165 000 лет, чтобы достичь ближайшей к нам звёздной системы Альфа Центавра. Инициатива Breakthrough Starshot предлагает другой подход: оставить источник энергии на Земле в виде массива лазеров мощностью 100 гигаватт, которые будут светить в парус микроскопического зонда массой около 1 грамма. Поток фотонов должен разогнать аппарат до 1/5 части скорости света (около 60 000 километров в секунду) всего за 7 минут, сократив время перелёта до 20 лет.

До сих пор не существовало материала, способного выдержать такой процесс. Плёнка, которая поглощает даже малую долю энергии гигаваттного лазера, мгновенно плавится, а слишком тонкий материал рвётся под колоссальным давлением луча. Чтобы обойти это физическое ограничение, инженеры разработали трёхслойную структуру, где каждый слой выполняет свою функцию.

Основу паруса составляет слой дисульфида молибдена (MoS2), который обладает высоким показателем преломления и эффективно отражает инфракрасный свет лазера. Ядро зажато между двумя ультратонкими слоями оксида алюминия (Al2O3). Эта оболочка защищает хрупкую сердцевину и работает как радиатор, отдавая излишки тепла в космос до того, как парус успеет перегреться.

Ещё одной проблемой была механическая прочность. Лист толщиной в несколько сотен нанометров легко сминается, слипается и рвётся. Инженеры применили метод гексагонального гофрирования: нанесли на парус микроскопический узор в виде пчелиных сот. Работающая по принципу гофрокартона, такая архитектура многократно повысила жёсткость материала на изгиб без добавления лишнего веса и защитила плёнку от распространения микротрещин. Кроме того, такая конструкция позволяет парусу переносить экстремальные изгибы и восстанавливать форму, что облегчает развёртывание после транспортировки в сложенном виде.

Лабораторные тесты показали, что вес созданных прототипов составляет менее 1 грамма на квадратный метр (примерно в 100 раз легче обычной бумаги). При этом парус отражает более 50% попадающего лазерного излучения и поглощает менее 4%, эффективно преобразуя свет в кинетическую энергию.

На сегодняшний день прототип является единственным, способным достичь релятивистской цели на основе измеренного, а не только теоретически рассчитанного спектра отражения.

Создание массивов наземных лазеров диаметром 26 километров остаётся задачей будущего, однако напечатанные паруса имеют практическую ценность уже сегодня.

Для превращения прототипа в полномасштабный межзвёздный парус инженеры планируют сосредоточиться на улучшении термостойкости, масштабировании производства и решении проблем механической стабильности. Чтобы избежать перегрева от мощных лазеров, планируется превратить аморфный оксид алюминия в кристаллический сапфир, протестировать новые методы осаждения дисульфида молибдена и повысить теплоотдачу за счёт поверхностных микроструктур и протестировать альтернативные внешние слои. Увеличить площадь паруса позволят методы травления и рулонной нано-литографии, которую теоретически можно применять прямо в вакууме на низкой околоземной орбите. Одновременно физикам предстоит изучить эффекты двухфотонного поглощения, смоделировать оптимальную толщину наноплёнок и добиться устойчивого удержания полотна в центре лазерного луча, что в перспективе позволит протестировать эту технологию для развёртывания систем космической связи или доставки исследовательских зондов к Юпитеру всего за 4 дня.