Σύνοψη
- Ερευνητές του Texas A&M University ανέπτυξαν τα "metajets", συσκευές κλίμακας μικρομέτρου που κινούνται αποκλειστικά μέσω ακτίνων λέιζερ, καταργώντας την ανάγκη για παραδοσιακά χημικά καύσιμα.
- Η νέα μέθοδος οπτικής προώθησης επιτρέπει τον πλήρη τρισδιάστατο (3D) έλεγχο των σκαφών, κάτι που μέχρι πρότινος ήταν ανέφικτο με απλά ηλιακά ιστία.
- Οι συσκευές βασίζονται σε "μετα-επιφάνειες" (metasurfaces), λεπτά υλικά με μοτίβα νανοκλίμακας που ελέγχουν τον τρόπο με τον οποίο το φως μεταφέρει ορμή.
- Εφόσον η τεχνολογία κλιμακωθεί, υπολογίζεται ότι μπορεί να επιταχύνει μικροσκοπικά διαστημικά σκάφη κοντά στην ταχύτητα του φωτός.
- Με αυτή τη μέθοδο, η διάρκεια του ταξιδιού προς το κοντινότερο αστρικό σύστημα (Alpha Centauri) μειώνεται δραματικά από τις 100.000 στα 20 περίπου χρόνια.
Τα metajets είναι συσκευές κλίμακας μικρομέτρου, μικρότερες από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας, καλυμμένες με υπερλεπτές μετα-επιφάνειες (metasurfaces). Αυτές οι δομές χειραγωγούν τις ακτίνες λέιζερ σαν φακοί υψηλής ακρίβειας, μετατρέποντας το φως σε κινητική ενέργεια. Το σύστημα επιτρέπει την πλήρη τρισδιάστατη πλοήγηση στο κενό χωρίς χρήση καυσίμων, προσφέροντας την απαραίτητη ώθηση για διαστρικά ταξίδια υπερ-υψηλών ταχυτήτων.
Η σύγχρονη διαστημική εξερεύνηση αντιμετωπίζει ένα αυστηρό φυσικό όριο: το βάρος των καυσίμων. Όσο πιο μακριά και πιο γρήγορα θέλουμε να στείλουμε ένα σκάφος, τόσο περισσότερο καύσιμο απαιτείται. Η αύξηση της μάζας του καυσίμου, ωστόσο, απαιτεί επιπλέον ενέργεια για την εκκίνηση, δημιουργώντας έναν φαύλο κύκλο που καθιστά τις διαστρικές πτήσεις πρακτικά αδύνατες με τα σημερινά μέσα. Εάν βασιζόμασταν αποκλειστικά σε πυραύλους χημικής προώθησης, το ταξίδι προς τον Άλφα Κενταύρου – το κοντινότερο αστρικό σύστημα, σε απόσταση περίπου 4,3 ετών φωτός – θα διαρκούσε περισσότερο από 100.000 χρόνια. Η ανάγκη για εναλλακτικές μεθόδους προώθησης δεν είναι απλώς μια θεωρητική αναζήτηση, αλλά η βασική προϋπόθεση για τη βιωσιμότητα της περαιτέρω εξερεύνησης του βαθέος Διαστήματος.
Η επανάσταση της οπτικής προώθησης και τα Metajets
Η ιδέα της χρήσης του φωτός για την παραγωγή έργου βασίζεται στην αρχή ότι τα φωτόνια, αν και δεν έχουν μάζα, μεταφέρουν ορμή. Όταν το φως προσκρούει σε μια επιφάνεια και ανακλάται, μεταβιβάζει ένα απειροελάχιστο κλάσμα αυτής της ορμής στην επιφάνεια. Η εφαρμογή αυτής της φυσικής αρχής έχει ήδη επιδειχθεί μέσω των ηλιακών ιστίων. Ωστόσο, η ερευνητική ομάδα του Dr. Shoufeng Lan στο Texas A&M University προχώρησε το concept σε εντελώς διαφορετικό επίπεδο.
Σύμφωνα με τη μελέτη, οι ερευνητές εγκατέλειψαν την προσέγγιση των μεγάλων, επίπεδων ανακλαστικών επιφανειών και αντί αυτών, δημιούργησαν τα "metajets". Πρόκειται για δομές κλίμακας μικρομέτρου που φέρουν στην επιφάνειά τους μοτίβα τα οποία αλληλεπιδρούν με το φως σε νανοκλίμακα. Αντί ο χειρισμός να εξαρτάται από τον έλεγχο της ίδιας της ακτίνας λέιζερ από τη βάση (κάτι ιδιαίτερα δύσκολο όταν το αντικείμενο βρίσκεται εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά), ο έλεγχος είναι "εγγεγραμμένος" στο ίδιο το υλικό της συσκευής.
Οι μετα-επιφάνειες λειτουργούν ουσιαστικά ως έξυπνοι διαθλαστές. Κατευθύνουν την ανάκλαση του φωτός με συγκεκριμένες γωνίες, επιτρέποντας στους επιστήμονες να ελέγχουν επακριβώς την κατεύθυνση της ασκούμενης δύναμης. Η δυναμική αυτή μοιάζει με τον τρόπο που ένα μπαλάκι του πινγκ-πονγκ αλλάζει πορεία ανάλογα με τη γωνία του ρακετών, αλλά σε φωτονικό επίπεδο.
Τρισδιάστατος έλεγχος στο εργαστήριο
Μέχρι σήμερα, τα συστήματα οπτικής προώθησης είχαν έναν σοβαρό περιορισμό: την αδυναμία ευέλικτης πλοήγησης. Το λέιζερ απλώς έσπρωχνε το αντικείμενο προς μία κατεύθυνση. Το επίτευγμα της ομάδας του Texas A&M είναι ότι κατάφεραν να επιτύχουν πλήρη τρισδιάστατη ευελιξία. Κατά τη διάρκεια των εργαστηριακών δοκιμών, οι επιστήμονες απέδειξαν ότι τα metajets μπορούν όχι μόνο να ωθηθούν προς τα εμπρός (ανύψωση), αλλά και να μετακινηθούν πλευρικά, διατηρώντας απόλυτη σταθερότητα, αποκλειστικά και μόνο μέσω της μεταβολής της συχνότητας ή της εστίασης του φωτός που προσπίπτει επάνω τους. Αυτό σημαίνει ότι ένα μελλοντικό σκάφος εφοδιασμένο με αυτές τις δομές θα μπορεί να διορθώνει την πορεία του στο κενό του διαστήματος χωρίς τη χρήση κανενός είδους συμβατικού προωθητήρα.
Η σύνδεση με το Breakthrough Starshot και ο Άλφα Κενταύρου
Τα ευρήματα αυτά έρχονται να δώσουν πρακτική υπόσταση σε φιλόδοξα προγράμματα όπως το Breakthrough Starshot, το οποίο προτάθηκε το 2016 με την υποστήριξη κορυφαίων επιστημόνων. Ο στόχος του προγράμματος αυτού είναι η αποστολή ενός στόλου μικροσκοπικών σκαφών στα κοντινότερα άστρα. Εάν τα metajets ενσωματωθούν στο σχεδιασμό τέτοιων σκαφών, τεράστιες επίγειες ή τροχιακές συστοιχίες λέιζερ θα μπορούσαν να τα στοχεύσουν, παρέχοντας συνεχή και στοχευμένη ώθηση.
Λόγω της εξαιρετικά μικρής τους μάζας, τα σκάφη αυτά θα μπορούσαν σταδιακά να επιταχύνουν έως και στο 20% της ταχύτητας του φωτός. Υπό αυτές τις συνθήκες, το ταξίδι των 100.000 ετών προς τον Άλφα Κενταύρου μειώνεται στα 20 χρόνια. Επιπρόσθετα, μόλις φτάσουν στον προορισμό τους, η διατήρηση της οπτικής επικοινωνίας και του ελέγχου προσανατολισμού μέσω των metajets θα επέτρεπε τη μετάδοση φωτογραφιών και δεδομένων πίσω στη Γη, ανοίγοντας το δρόμο για την πρώτη άμεση οπτική παρατήρηση ενός εξωπλανητικού συστήματος.
Η επόμενη μέρα για την οπτική προώθηση
Η έρευνα του Dr. Lan και της ομάδας του απέδειξε τη βιωσιμότητα της ιδέας. Το επόμενο βήμα απαιτεί την εκτέλεση αντίστοιχων πειραμάτων σε περιβάλλον μικροβαρύτητας. Σε έναν χώρο απαλλαγμένο από τις τριβές και τη βαρύτητα της Γης, η θεωρητική απόδοση των metajets προβλέπεται να είναι εκθετικά μεγαλύτερη. Επιπλέον, η συγκεκριμένη τεχνολογία δεν περιορίζεται μόνο στη διαστημική εξερεύνηση. Στο εγγύς μέλλον, παρόμοιες μετα-επιφάνειες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον απομακρυσμένο χειρισμό νανο-ρομπότ εντός του ανθρώπινου σώματος ή για την κατασκευή οπτομηχανικών συστημάτων υψηλής ακρίβειας, όπου η απουσία κινητών μερών και μπαταριών είναι κρίσιμης σημασίας.
*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!
Διαβάστε επίσης
