تحقیقات در زمینه سفر میان ستاره ای، همواره یکی از بزرگ ترین آرزوهای بشر بوده است، اما دستیابی به ستاره ها با چالش های عظیمی مواجه است. اکنون یک پروژه نوآورانه، جامعه علمی را به تحقق این رؤیا نزدیک تر می سازد.
پروژه تحقیقاتی Breakthrough Starshot به کمک فیزیکدان برجسته نظری استیون هاوکینگ و دانشمند یوری میلنر راه اندازی شده است و هدف نهایی آن ارسال یک فضاپیمای کوچک به سمت ستاره آلفاقنطورس، نزدیک ترین منظومه ستاره ای به زمین، می باشد.
به گزارش آی ای، نکته قابل توجه این است که این فضاپیما از یک سیستم پیشرانی نوین استفاده می کند که به بادبان های نوری وابسته است. این نوع بادبان های بازتابی از نیروی لیزر و نور ستارگان برای به حرکت درآوردن فضاپیما بهره می برند.
این بادبان های نازک قادرند به سرعت هایی دست یابند که پیش تر تصوری از آن نبود. با این حال، فرآیند طراحی و آزمایش این بادبان ها بسیار پیچیده و دشوار است.
بادبان نوری می تواند سریع تر از هر فضاپیمای قبلی سفر کند و این امکان را فراهم آورد که اکتشافات مستقیم در فواصل بین ستاره ای ممکن گردد، جایی که در حال حاضر فقط از راه دور قابل مشاهده هستند.
آزمایش بادبان نوری مینیاتوری
محققان در Caltech تحت هدایت اتواتر (Atwater)، پروژه ای را شروع کرده اند تا مواد فوق العاده نازکی که برای ساخت بادبان های نوری لازم هستند را مورد مطالعه قرار دهند.
بادبان نوری کوچک آن ها که از نیترید سیلیکون با ضخامت تنها ۵۰ نانومتر ساخته شده، به منظور اندازه گیری نیروی ناشی از لیزر طراحی شده است. این آزمایش شامل اندازه گیری حرکات بسیار ظریف بادبان در حین برخورد پرتو لیزر می باشد.
این آزمایشات، اولین قدم مهم در مسیر توسعه بادبان نوری از مرحله نظری تا طراحی و سپس آزمایش عملی و تجزیه و تحلیل مواد به شمار می رود.
توسعه غشای لازم برای این بادبان ها با چالش های متعددی روبه رو است. آتواتر بیان می کند: این غشاء باید قادر به تحمل حرارت باشد، فرم خود را زیر فشار حفظ کند و به نحو پایدار در راستای محور پرتو لیزر حرکت کند.
اما قبل از آنکه به تولید چنین بادبانی بپردازیم، باید دریابیم که مواد چگونه به فشار تشعشع لیزر واکنش نشان می دهند. ما می خواستیم بفهمیم آیا می توانیم فقط با اندازه گیری حرکات غشاء، نیروی اعمال شده به آن را محاسبه کنیم. به نظر می رسد که این امر ممکن است.
برای آغاز تحقیقات، این گروه یک بادبان نوری کوچک را به یک غشای بزرگتر متصل ساختند.
سپس یک لیزر آرگون مرئی بر روی آن تابانده شد تا فشار تشعشع را اندازه گیری کنند.
اتصال یک بادبان سبک به غشاء، پیچیدگی های دینامیکی به وجود می آورد. بادبان هنگام برخورد با نور مانند ترامپولین به ارتعاش درمی آید. این ارتعاشات به طور عمده ناشی از حرارت لیزر هستند و جداسازی اثر فشار تشعشع از آن به کار دشواری تبدیل می شود.
پاسخ بادبان به لیزر
یک نوآوری قابل توجه، به کارگیری تداخل سنج مسیر مشترک است. این ابزار پیشرفته به پژوهشگران امکان می دهد که حرکات ظریف بادبان را اندازه گیری کنند و در عین حال صداهای محیط را به حداقل برسانند.
آن ها یک تداخل سنج حساس را در میکروسکوپ خود ترکیب کرده و دستگاه را در یک محفظه خلأ قرار دادند. این کار به آن ها اجازه داد تا حرکات بسیار ناچیز یک بادبان مینیاتوری را به علاوه سختی آن را در حین برخورد با لیزر اندازه گیری کنند.
این تیم همچنین پاسخ بادبان به لیزر را در زوایای مختلف آزمایش کرده و شرایطی را که یک بادبان واقعی در فضا با آن مواجه می شود، شبیه سازی کردند.
آن ها دریافتند وقتی لیزر با زاویه ای خاص هدایت می شود، نیرویی که به بادبان تحمیل می شود، کمتر از حد انتظار است. محققان بر این باورند که این موضوع به دلیل برخورد قسمت هایی از پرتو زاویه دار به لبه بادبان و پراکنده شدن بخشی از نور است که روشنی نیروی محرک را کاهش می دهد.
این گروه قصد دارد از علم نانو و فرامواد به منظور کنترل حرکت جانبی و چرخش بادبان نوری مینیاتوری استفاده کند.
یافته های به دست آمده در نشریه Nature Photonics منتشر شده است.