IT之家 2 月 9 日消息，加州理工學(xué)院的科學(xué)家們在光帆（Lightsail）技術(shù)研究領(lǐng)域取得了重要進展，為未來將微型航天器送往遙遠恒星系統(tǒng)奠定了重要基礎(chǔ)。這一成果有望推動“突破攝星”計劃（Breakthrough Starshot Initiative）的實施，該計劃旨在利用激光驅(qū)動航天器，實現(xiàn)星際旅行。
據(jù)IT之家了解，“突破攝星”計劃由已故著名科學(xué)家斯蒂芬?霍金和科技投資人尤里?米爾納于 2016 年發(fā)起，目標是將微型探測器送往距離地球最近的恒星系統(tǒng) —— 半人馬座 α 星。該計劃的核心是利用地球上的高功率激光推動輕薄的帆驅(qū)動探測器，就像地球上的風(fēng)推動帆船一樣，使航天器能夠在無需化學(xué)推進劑的情況下達到前所未有的速度。
光帆是太陽帆的一種更通用形式，其通過光源的輻射壓力產(chǎn)生推進力。輻射壓力是指輻射撞擊表面時傳遞的動量，類似于地球上的風(fēng)對帆船帆的作用。雖然光子本身沒有質(zhì)量，但當(dāng)它們撞擊物體時，仍會傳遞一部分動量，從而對物體產(chǎn)生微小的推力。盡管單個光子的影響微乎其微，但在真空中，數(shù)以萬億計的光子撞擊一個表面時，這種推力的累積效應(yīng)將變得十分顯著。
這種輻射壓力在航天領(lǐng)域具有重要意義。例如，太陽光的輻射壓力足以使行星際航天器偏離預(yù)定軌道數(shù)千英里，因此在向火星或其他行星發(fā)送探測器時，必須考慮這種效應(yīng)。
利用更高能量的激光束產(chǎn)生的輻射壓力，可以更精準地推動航天器上的光帆。與復(fù)雜的化學(xué)推進火箭相比，激光束提供的持續(xù)壓力能夠使航天器達到更快且更可靠的速度。
加州理工學(xué)院工程與應(yīng)用科學(xué)部奧蒂斯?布斯領(lǐng)導(dǎo)主席哈里?阿特沃特表示：“光帆將比以往任何航天器都更快，為直接進行航天器的星際探索提供了可能。”
阿特沃特的團隊開發(fā)了一個測試平臺，用于測量激光對一種微觀“蹦床”—— 氮化硅薄膜的推力。這種薄膜厚度僅為 50 納米，而微型光帆是一個邊長為 04 微米的正方形薄片，其四個角通過氮化硅彈簧固定，并在激光照射下產(chǎn)生振動。通過檢測這些微小的振動，研究人員能夠計算出激光束的推力及其功率。
阿特沃特指出：“開發(fā)可用于光帆的薄膜面臨諸多挑戰(zhàn)。其需要承受高溫，在壓力下保持形狀，并且能夠穩(wěn)定地沿著激光束的軸線飛行。但在我們開始建造這樣的光帆之前，我們必須了解材料對激光輻射壓力的反應(yīng)。我們想知道是否可以通過測量薄膜的運動來確定施加在其上的力，結(jié)果證明這是可行的?！?/p>
該研究的主要作者、博士后學(xué)者利奧爾?米夏利和研究生 Ramon Gao 構(gòu)建了一個名為共路干涉儀的專用裝置，能夠通過消除實驗室中設(shè)備運行或人員交談產(chǎn)生的背景噪聲，精確測量薄膜的運動。
米夏利表示：“我們不僅避免了不必要的加熱效應(yīng)，還利用我們對裝置行為的了解，創(chuàng)造了一種新的測量光的推力的方法?！盧amon Gao 補充說，該平臺能夠測量光帆的橫向運動和旋轉(zhuǎn)，為未來能夠自我修正偏離激光束的光帆設(shè)計鋪平了道路。
研究團隊希望最終將先進的納米材料和超材料整合到光帆中，以使其在星際旅行中穩(wěn)定飛行。Ramon Gao 表示：“這是朝著觀察光學(xué)力和扭矩邁出的重要一步，這些力和扭矩將使自由加速的光帆能夠沿著激光束飛行?！?/p>
目前，多個光帆項目正在推進中。盡管美國宇航局去年部署的太陽帆遇到了一些機械問題，但加州理工學(xué)院團隊的這一研究對于進一步完善光帆設(shè)計具有重要意義。
該研究成果已于 1 月 30 日發(fā)表在《自然?光子學(xué)》雜志上。
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