Laut einer neuen Studie könnten Raumfahrzeuge mit Segeln mit ähnlichen Oberflächen wie CDs und DVDs zu fernen Sternen fliegen, um auf Laserstrahlen zentriert zu bleiben.
Herkömmliche Raketen, die durch chemische Reaktionen angetrieben werden, sind derzeit die dominierende Form des Weltraumantriebs. Sie sind jedoch bei weitem nicht effizient genug, um innerhalb eines menschlichen Lebens einen anderen Stern zu erreichen. Zum Beispiel, obwohl Alpha Centauri ist das der Erde am nächsten gelegene Sternensystem und liegt immer noch etwa 4,37 Lichtjahre entfernt, was mehr als 41,2 Billionen Kilometern oder mehr als dem 276.000-fachen der Entfernung von der Erde zur Sonne entspricht. Es würde NASAs brauchen Raumschiff Voyager 1, das 1977 gestartet wurde und 2012 den interstellaren Raum erreichte, ungefähr 75.000 Jahre, um Alpha Centauri zu erreichen, wenn die Sonde in die richtige Richtung geleitet wurde (was nicht der Fall ist).
Das Problem bei allen Triebwerken, die derzeitige Raumfahrzeuge zum Antrieb verwenden, ist, dass das Treibmittel, das sie mit sich führen, Masse hat. Lange Fahrten erfordern viel Treibmittel, was das Raumschiff schwer macht, was wiederum mehr Treibmittel erfordert, was es schwerer macht und so weiter. Dieses Problem wird exponentiell schlimmer, je größer ein Raumschiff wird.
Frühere Forschungen haben gezeigt, dass "leichtes Segeln" eine der wenigen technisch realisierbaren Möglichkeiten ist, eine Sonde innerhalb eines menschlichen Lebens zu einem anderen Stern zu bringen. Obwohl Licht nicht viel Druck ausübt, haben Wissenschaftler lange darauf hingewiesen, dass das Wenige, das es anwendet, einen großen Effekt haben könnte. In der Tat haben zahlreiche Experimente gezeigt, dass "Sonnensegel" bei einem ausreichend großen Spiegel und einem ausreichend leichten Raumschiff auf Sonnenlicht als Antrieb angewiesen sind.
Die 100-Millionen-Dollar-Initiative Breakthrough Starshot, das 2016 angekündigt wurde, plant, Alpha Centauri Schwärme von Raumschiffen in Mikrochipgröße zu bringen, die jeweils außergewöhnlich dünne, unglaublich reflektierende Segel tragen, die von den leistungsstärksten Lasern angetrieben werden, die jemals gebaut wurden. Der Plan sieht vor, dass sie mit bis zu 20% Lichtgeschwindigkeit fliegen und in etwa 20 Jahren Alpha Centauri erreichen.
Ein Problem bei der Verwendung von Lasersegeln besteht darin, dass sie aus der Ausrichtung mit den treibenden Laserstrahlen herausdriften - was zumindest anfänglich hier auf der Erde der Fall sein wird Durchbruch Starshots Plan - Sie können wild vom Kurs abweichen. Jetzt haben Wissenschaftler ein neues Segel entworfen und getestet, das sich im Prinzip automatisch für einige Minuten auf einem Laserstrahl zentrieren kann, sodass ein Raumschiff für interplanetare oder sogar interstellare Reisen auf Kurs bleiben kann.
Das neue Segel stützt sich auf Strukturen, die als bekannt sind Beugungsgitter, die bekanntesten Versionen davon sind auf CDs und DVDs zu sehen. EIN Beugungsgitter ist eine Oberfläche, die mit einer Reihe von regelmäßig beabstandeten mikroskopischen Rippen oder Schlitzen bedeckt ist, die Licht streuen oder beugen können, wodurch unterschiedliche Wellenlängen oder Farben des Lichts in verschiedene Richtungen wandern.
Eine Aufnahme auf einer CD oder DVD wird in Form von mikroskopisch kleinen Pits unterschiedlicher Länge codiert, die in Reihen gleicher Breite und gleicher Abstände angeordnet sind, und Laserstrahlen können diese Platten scannen, um ihre Daten zu lesen. Diese Reihen bilden ein Beugungsgitter auf den Spiegeloberflächen von CDs und DVDs, das weißes Licht in die vielen Farben aufteilen kann, aus denen es besteht, was zu den Regenbogenmustern führt, die man auf diesen Scheiben sehen kann.
"Wenn Sie jemals das schöne Lichtspiel einer CD untersucht haben, haben Sie die Auswirkungen der Beugung gesehen", sagte der leitende Autor der Studie, Grover Swartzlander, ein optischer Physiker am Rochester Institute of Technology in New York, gegenüber Space.com .
Die Forscher bauten ein Segel, das aus zwei nebeneinander angeordneten Beugungsgittern bestand. Jedes Gitter bestand aus ausgerichteten Flüssigkristallen, die in einer Plastikfolie enthalten waren. Ähnliche Flüssigkristalle werden häufig in elektronischen Anzeigen von Videobildschirmen und Digitaluhren verwendet.
Frühere Lichtsegelkonstruktionen wirken wie Spiegel, die Lichtstrahlen an ihren Quellen zurückreflektieren. Bei der neuen Konstruktion lenken die Flüssigkristalle in jedem Beugungsgitter die Lichtstrahlen in einem Winkel ab und erzeugen Kräfte, die das Segel sowohl nach hinten als auch zur Seite schicken.
Das Gitter auf der linken Seite des neuen Segels lenkt das Licht rechts vom Laserstrahl ab, während das Gitter auf der rechten Seite das Licht nach links ablenkt. Wenn das Segel so driftet, dass der Laserstrahl auf beide Seiten des Segels fällt, wird das Segel wieder in Position gebracht, wobei das Licht auf die Mitte des Segels fällt.
Bei Tests ihres experimentellen Segels mussten die Wissenschaftler die mikroskopischen Kräfte erfassen, die das Segel als Reaktion auf einen Laser erzeugte, und diese Kräfte von Störungen wie Gebäudevibrationen oder Luftströmungen unterscheiden.
"Wir waren frustriert, als wir feststellten, dass unsere Messungen nicht zuverlässig waren, wenn der Boden vom Gewicht einer kleinen Person abfiel", sagte Swartzlander. "Schließlich haben wir geeignete Orte und Methoden gefunden, um Störungen zu vermeiden."
Die Forscher entdeckten erfolgreich das Segel, das Rezentrierungskräfte erzeugte, die es mit einem Laserstrahl wieder in Ausrichtung brachten.
"Es war sehr befriedigend festzustellen, dass die experimentellen Ergebnisse mit unseren theoretischen Vorhersagen übereinstimmten", sagte Swartzlander. "Diese Vereinbarung legt nahe, dass wir sicher komplexere Beugungsstrukturen für Lichtsegel entwerfen können, die entweder von Sonnenlicht oder einem Laserstrahl angetrieben werden."
Die Forscher experimentieren jetzt mit Segeln, die sich zentrieren können, wenn sie in eine beliebige Richtung driften, nicht nur nach links oder rechts. "Interessanterweise können diese optische Eigenschaften haben, die der Beugung von Compact Disks sehr ähnlich sind", sagte Swartzlander.
In Zukunft, so die Forscher, könnten ihre Segel auf der Internationalen Raumstation oder auf einem kleinen Satelliten um die Erde getestet werden. Sie detailliert ihre Ergebnisse online 13. Dezember in der Zeitschrift Physical Review Letters.
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