В 1977 году зонд Voyager 1 стал первым объектом, созданным человеком, который покинул пределы Солнечной системы. Однако при текущих скоростях ему потребуется более 70 000 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, ближайшей звёздной системы.
Новая технология, основанная на использовании световых парусов, может значительно ускорить процесс межзвёздных путешествий. Световые паруса представляют собой большие отражающие поверхности, развёрнутые перед космическими кораблями, которые используют солнечный свет или свет от лазеров для движения кораблей. Теоретически это может позволить достичь скорости, составляющей 10–20 % от скорости света, что сделает возможным достижение Альфы Центавра в течение 20–30 лет.
Однако разработка материалов, обладающих одновременно отражающими свойствами и достаточной лёгкостью для реализации этой задачи, была сложной задачей. Исследователи из Делфтского университета в Нидерландах и Университета Брауна в США применили технологию искусственного интеллекта под названием «нейронная топологическая оптимизация» для создания листа нитрида кремния толщиной в один нанометр, способного воплотить эту идею в жизнь.
В препринте, опубликованном на arXiv, команда отмечает: «Для выполнения этой задачи необходимы материалы для светового паруса, которые выходят за рамки основ нанотехнологий, требуя инноваций в оптике, материаловедении и структурной инженерии».
Исследователи использовали метод, вдохновлённый проектом Breakthrough Starshot, запущенным Breakthrough Initiatives в 2016 году. Starshot стремится разработать флот из примерно 1000 небольших космических аппаратов, использующих световые паруса и наземный лазер для достижения Альфа Центавра в течение 20–30 лет. Зонды будут оснащены камерами и другими датчиками для передачи данных после прибытия.
Для достижения требуемой скорости космический аппарат должен быть очень лёгким: зонды будут иметь размер всего в несколько сантиметров и весить несколько граммов. Однако для сбора достаточного количества света площадь парусов должна составлять около 100 квадратных футов (9,29 квадратных метров), поэтому необходимы новые сверхлёгкие материалы для снижения веса парусов.
Исследователи применили метод создания оптических наноструктур, известных как фотонные кристаллы, которые состоят из регулярно расположенных маленьких отверстий. Создание миллионов или миллиардов таких отверстий в материале значительно уменьшает его массу, однако такие повторяющиеся структуры также вызывают необычные оптические эффекты, которые могут улучшить отражающую способность материала.
Команда объединила нейросеть с более традиционным вычислительно-физическим программным обеспечением, чтобы определить самую подходящую конфигурацию и форму отверстий для минимизации массы и улучшения отражающей способности. В итоге образовалась решётка из отверстий в форме бобов толщиной менее 200 нанометров.
С помощью технологии литографии потока, где лазер использует сложный шаблон для формирования отверстий в кремниево-нитридной пластине, команда изготовила образец площадью 5,5 квадратных дюймов (35,53 квадратных сантиметра), весящий лишь несколько микрограммов. Исследователи полагают, что этот метод можно легко масштабировать, и прогнозируют, что создание полноразмерного паруса займёт около одного дня и обойдётся примерно в 2700 долларов.
Стефания Сольдини из Ливерпульского университета подчеркнула, что для успешного выполнения миссии Breakthrough Starshot предстоит решить множество инженерных задач, но решающим фактором станет недорогой и быстрый способ производства световых парусов.
NASA также активно работает над этим подходом. На прошлой неделе агентство сообщило, что проект миссии Advanced Composite Solar Sail System, начатый в этом году, близок к первому подъёму парусов. Если эти проекты завершатся успешно, то, возможно, уже через несколько поколений мы впервые сможем рассмотреть Вселенную за пределами Солнечной системы в деталях.
По материалам:
ixbt
