Нанофотонные световые паруса можно будет разогнать до релятивистских скоростей

Однажды, в не столь отдаленном будущем, световые паруса будут мчаться сквозь космос на скорости порядка 20% от световой (или 60 000 км/с), подталкиваемые не топливом, а давлением излучения мощных лазеров на Земле. Двигаясь с этими релятивистскими скоростями, световые паруса на лазерах могли бы достичь ближайшей соседней звезды (к Солнцу) Альфы Центавра, либо ближайшей потенциально обитаемой планеты Проксимы Центавра b, всего за 20 лет. Оба объекты находятся более чем в четырех световых годах от нас.

Однако проектирование световых парусов — сложная инженерная задача, требующая почти невозможного: идеальный световой парус должен иметь ширину в несколько метров и быть механически достаточно прочным, чтобы выдерживать интенсивное давление излучения, однако толщина его должна быть всего 100 нанометров и вес — несколько граммов.

Что такое световой парус и в чем сложность его создания

Другие требования вытекают из механизмов работы этих самых световых парусов. Согласно уравнениям Максвелла, свет обладает импульсом и может оказывать давление на объекты. Но световые паруса не просто подталкиваются давлением излучения, как обычный парус — силой ветра. Вместо этого давление рождается оттого, что световой парус отражает излучение.

Поэтому оптимальный парус должен отражать большую часть излучения в лазерном луче ближнего инфракрасного спектра и одновременно с этим излучать в среднем инфракрасном спектре для эффективного охлаждения.

В новом исследовании, опубликованном в Nano Letters, ученые Огньен Илик, Кора Вент и Гарри Этуотер из Калифорнийского технологического института в Пасадене показали, что нанофотонные структуры могут обладать потенциалом удовлетворения строгих требований к материалу, из которого будут делать парус, способный путешествовать на околосветовых скоростях.

Если в предыдущих конструкциях использовались такие материалы, как сверхтонкий алюминий, различные полимеры и углеродное волокно, нанофотонные структуры могут манипулировать светом на субволновых масштабах, а значит одновременно решают вопросы эффективного отталкивания (отражения) и распределения тепла (излучения). В качестве примера ученые показали двуслойный сендвич из кремния и диоксида кремния, которые обладают заданными свойствами. Кремний обладает высоким индексом отражения — что выливается в эффективное движение, но плохо остывает, а диоксид кремния прекрасно остывает, но хуже отражает.

В будущем эту концепцию можно использовать для минимизации ограничений мощности лазера и размера лазерного массива.