Rumfartøjer kunne flyve til fjerne stjerner ved hjælp af sejl med overflader, der ligner dem på cd'er og dvd'er for at hjælpe dem med at forblive centreret om laserstråler, viser en ny undersøgelse.
Konventionelle raketter, der er drevet af kemiske reaktioner, er i øjeblikket den dominerende form for rumfremdrift. De er imidlertid intetsteds nær effektive nok til at nå en anden stjerne inden for en menneskelig levetid. For eksempel, selvom Alpha Centauri er det nærmeste stjernesystem til Jorden, ligger det stadig ca. 4,37 lysår væk, svarende til mere end 25,6 billioner kilometer (41,2 billioner kilometer) eller mere end 276.000 gange afstanden fra Jorden til solen. Det ville tage NASA'er Voyager 1 rumfartøj, der blev lanceret i 1977 og nåede et interstellar rum i 2012, ca. 75.000 år for at nå Alpha Centauri, hvis sonden var på vej i den rigtige retning (hvilket det ikke er).
Problemet med alle thrustere, som det nuværende rumfartøj bruger til fremdrift, er, at drivmidlet, de bærer med sig, har masse. Lange ture kræver meget drivmiddel, hvilket gør rumfartøjer tunge, hvilket igen kræver mere drivmiddel, hvilket gør dem tungere osv. Dette problem bliver eksponentielt værre, jo større et rumfartøj bliver.
Tidligere forskning har antydet, at "let sejlsport" muligvis er en af de eneste teknisk gennemførlige måder at få en sonde til en anden stjerne inden for en menneskelig levetid. Selvom lys ikke udøver meget pres, har forskere længe antydet, at det lille, det gør, kan have en stor effekt. Faktisk har adskillige eksperimenter vist, at "solsejl" kan stole på sollys til fremdrift, givet et stort nok spejl og et rumfartøj, der er let nok.
100 millioner dollars gennembrud Starshot-initiativet, som blev annonceret i 2016, planlægger at lancere sværme af rumfartøj med mikrochipstørrelse til Alpha Centauri, hvor hver af dem sportsligt ekstraordinært tynde, utroligt reflekterende sejl fremdrevet af de mest kraftfulde lasere nogensinde er bygget. Planen har dem til at flyve med op til 20% lysets hastighed og nå Alpha Centauri på cirka 20 år.
En bekymring ved brug af lasersegl er, at hvis de driver ud af justering med de fremdrivende laserstråler - som vil være baseret her på Jorden, i det mindste oprindeligt i Gennembrud Starshots plan - de kan vende sig vildt væk fra deres mål. Nu har forskere designet og testet et nyt sejl, der i princippet automatisk kunne holde sig centreret på en laserstråle i de krævede få minutter, hvilket giver et rumfartøj mulighed for at forblive på kursus for interplanetære eller endda interstellare rejser.
Det nye sejl bygger på strukturer, der er kendt som diffraktion gitre, hvor de mest kendte versioner ses på cd'er og dvd'er. EN diffraktionsgitter er en overflade dækket med en række mikroskopiske ridser eller spalter med regelmæssigt afstand, der kan sprede eller diffrahere lys, hvilket skaber forskellige bølgelængder eller farver i lys bevæger sig i forskellige retninger.
En optagelse på en CD eller DVD er kodet i form af mikroskopiske gruber med forskellige længder, der er placeret i rækker med samme bredde og lige store afstande, og laserstråler kan scanne disse diske for at læse deres data. Disse rækker danner et diffraktionsgitter på spejleoverfladerne på cd'er og dvd'er, der kan opdele hvidt lys i de mange farver, der udgør det, hvilket resulterer i regnbuens mønstre, som man kan se på disse diske.
"Hvis du nogensinde har undersøgt det smukke lysspil fra en kompakt disk, vil du have set virkningerne af diffraktion," fortæller seniorforfatter Grover Swartzlander, en optisk fysiker ved Rochester Institute of Technology i New York, til Space.com .
Forskerne byggede et sejl bestående af to diffraktive riste placeret side om side. Hvert gitter var lavet af justerede flydende krystaller, der var indeholdt i en plastikplade. Lignende flydende krystaller bruges ofte i elektroniske skærme på videoskærme og digitale ure.
Tidligere design af lyssejler fungerer som spejle, der reflekterer lysstråler ved deres kilder. I det nye design afbøjer de flydende krystaller i hvert diffraktionsgitter lysstrålene i en vinkel, hvilket genererer kræfter, der sender sejlet både bagud og sidelæns.
Risten på venstre side af det nye sejl afleder lys til højre for laserstrålen, mens gitteret på højre side afleder lys mod venstre. Hvis sejlet kører, så laserstrålen falder på hver side af sejlet, skubber det sejlet tilbage på plads med lyset faldende på midten af sejlet.
I tests af deres eksperimentelle sejl måtte forskerne registrere de mikroskopiske kræfter, som sejlet frembragte som reaktion på en laser, mens de skelner disse kræfter fra forstyrrelser såsom bygningsvibrationer eller luftstrømme.
”Vi var frustrerede over at finde ud af, at vores målinger ikke var pålidelige, hvis gulvet slappede af vægten af en lille person,” sagde Swartzlander. "Til sidst fandt vi passende placeringer og metoder til at undgå forstyrrelser."
Forskerne opdagede med succes det sejl, der genererer re-centreringskræfter, der skubbede det tilbage i linje med en laserstråle.
"Det var meget tilfredsstillende at finde ud af, at de eksperimentelle resultater stemte overens med vores teoretiske forudsigelser," sagde Swartzlander. "Denne aftale antyder, at vi med sikkerhed kan designe mere komplekse diffraktive strukturer til lyssejl drevet af enten sollys eller en laserstråle."
Forskerne eksperimenterer nu med sejl, der er i stand til at centrere sig, hvis de kører i en hvilken som helst retning, ikke bare til venstre eller højre. "Interessant nok kan disse have optiske egenskaber, der meget ligner den diffraktive karakter af kompakte diske," sagde Swartzlander.
I fremtiden antydede forskerne, at deres sejl kunne testes på den internationale rumstation eller på en lille satellit omkring Jorden. De detaljerede deres fund online 13. december i tidsskriftet Physical Review Letters.
- Galleri: Visioner af Interstellar Starship Travel
- Utrolig teknologi: Rumrejse og efterforskning
- 10 eksoplaneter, der kunne være vært for fremmed liv
