Les voiles nanophotoniques peuvent voyager à des vitesses relativistes

Anonim

Un jour, dans un avenir pas si lointain, les voiles légères peuvent traverser l’espace à une vitesse d’environ 20% de la vitesse de la lumière (ou 60 000 km / sec), non pas par le carburant mais par la pression lasers sur Terre. En voyageant à ces vitesses relativistes, les voiles légères alimentées par laser pourraient atteindre notre étoile voisine la plus proche (autre que le Soleil), Alpha Centauri, ou la plus proche planète potentiellement habitable connue, Proxima Centauri b, dans environ 20 ans. Les deux objets sont à un peu plus de quatre années-lumière.

Concevoir des voiles légères est un défi technique majeur, mais nécessite des caractéristiques contradictoires qui semblent presque impossibles: une voile légère idéale devrait avoir une largeur de plusieurs mètres et être suffisamment robuste pour résister à une pression de rayonnement intense. quelques grammes.

D'autres exigences découlent du mécanisme par lequel les voiles légères fonctionnent. Selon les équations de Maxwell, la lumière a un élan et peut donc exercer une pression sur les objets. Cependant, les voiles légères ne sont pas simplement poussées par la pression de rayonnement, comme un voilier est poussé par le vent. Au lieu de cela, la poussée résulte de la voile légère qui reflète le rayonnement. En conséquence, une voile optimale devrait refléter la majorité du rayonnement dans le spectre proche de l'infrarouge du faisceau laser, tout en émettant simultanément des rayonnements dans l'infrarouge moyen pour un refroidissement radiatif efficace.

Voiles Nanophotoniques

Dans une nouvelle étude publiée dans Nano Letters, les chercheurs Ognjen Ilic, Cora Went et Harry Atwater de l’Institut de technologie de Californie à Pasadena ont montré que les structures nanophotoniques pouvaient répondre aux exigences matérielles strictes des voiles légères capables de voyager à vitesses relativistes.

Les modèles de voiles légers précédents utilisaient des matériaux tels que l'aluminium ultra-fin, divers polymères et la fibre de carbone. Contrairement à ces matériaux, les structures nanophotoniques ont la capacité de manipuler la lumière à des échelles de sous-longueur d'onde, ce qui leur donne l'avantage de répondre aux exigences simultanées d'une propulsion efficace (réflexion) et d'une gestion thermique (émission). À titre d'exemple, les chercheurs ont montré qu'une pile de silicium et de silice à deux couches est prometteuse en raison des propriétés combinées des deux matériaux. Alors que le silicium a un indice de réfraction élevé - ce qui correspond à une propulsion efficace - mais une faible capacité de refroidissement, la silice possède de bonnes propriétés de refroidissement radiatif mais un indice de réfraction plus faible.

Dans leur article, les chercheurs ont également proposé un nouveau facteur de mérite qui mesure le compromis entre une masse de voile faible et une réflectivité élevée. À l'avenir, ce concept contribuera à minimiser les contraintes sur la puissance du laser et la taille du réseau laser.

Fond sur des voiles légères

Bien que conceptualisé depuis près d'un siècle, la technologie n'a rattrapé les premières visions des scientifiques que pour propulser un vaisseau spatial avec la pression de la lumière. Inspirés par la façon dont le rayonnement du soleil pousse la queue de la comète dans la direction opposée, les concepts les plus anciens étaient ceux des voiles solaires qui utilisent la pression du rayonnement solaire plutôt que celle des lasers.

La première voile solaire a été lancée en 2010 par l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) et a atteint avec succès l'orbite de Vénus en six mois, alimentée uniquement par la pression de rayonnement solaire. Les chercheurs travaillent actuellement à la conception de voiles solaires capables d'accélérer davantage et d'être compétitives par rapport à l'accélération des fusées, offrant ainsi la possibilité de lancer des engins spatiaux sans le coût d'un milliard de dollars de propergols conventionnels.

Bien que les voiles solaires puissent atteindre une vitesse comparable à celle des fusées, le rayonnement solaire est relativement faible par rapport à un réseau laser de grande puissance. En conséquence, un réseau laser offre le potentiel de propulsion beaucoup plus rapide, jusqu’à des vitesses relativistes, mais des travaux supplémentaires sont nécessaires avant que de telles voiles à moteur laser ne soient démontrées.

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