เรือใบขนาดเล็กสามารถเดินทางไปในความเร็วที่สัมพันธ์กันได้

Anonim

อาจเป็นวันหนึ่งในอนาคตที่ไม่ไกลนักใบเรืออาจแล่นผ่านพื้นที่ด้วยความเร็วประมาณ 20% ของความเร็วของแสง (หรือ 60, 000 กิโลเมตร / วินาที) ซึ่งขับเคลื่อนโดยไม่ใช้เชื้อเพลิง แต่เป็นความกดดันจากพลังงานสูง เลเซอร์บนโลก การเดินทางด้วยความเร็วที่สัมพันธ์กันเหล่านี้เรือใบแสงเลเซอร์สามารถเข้าถึงดาวใกล้เคียงที่ใกล้ที่สุดของเรา (นอกเหนือจากดวงอาทิตย์), Alpha Centauri หรือดาวเคราะห์ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงที่รู้จักกันว่า Proxima Centauri b ประมาณ 20 ปี วัตถุทั้งสองมีระยะทางไกลกว่าสี่ปีแสง

การออกแบบใบเรืออ่อนเป็นความท้าทายด้านวิศวกรรมที่สำคัญ แต่ต้องใช้คุณลักษณะที่ขัดแย้งกันซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้: เรือใบขนาดเหมาะควรมีความกว้างหลายเมตรและแข็งแรงพอที่จะทนต่อแรงกดดันจากการแผ่รังสีได้เพียง 100 นาโนเมตรหรือมากกว่านั้น ไม่กี่กรัม

ความต้องการเพิ่มเติมที่เกิดขึ้นจากกลไกที่ใบเรืออ่อนทำงาน ตามสมการของแมกซ์เวลล์แสงมีโมเมนตัมและส่งผลต่อความกดดันต่อวัตถุ อย่างไรก็ตามใบเรือที่เบาไม่ได้ถูกผลักดันเพียงแค่แรงกดดันจากรังสีเช่นเดียวกับเรือใบที่ถูกลมพัดพัด แทนที่จะผลักดันผลจากใบเรือแสงสะท้อนรังสี ผลที่ได้คือใบเรือที่เหมาะสมที่สุดควรสะท้อนรังสีส่วนใหญ่ในสเปกตรัมใกล้อินฟราเรดของลำแสงเลเซอร์ในขณะเดียวกันก็ปล่อยรังสีในช่วงกลางช่วงอินฟราเรดเพื่อให้ระบายความร้อนแบบ Radiative ที่มีประสิทธิภาพ

เรือนาโนโฟโตนิก

ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ใน Nano Letters นักวิจัย Ognjen Ilic Cora Went และ Harry Atwater จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย Pasadena ได้แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างแบบนาโนโพโลนอาจมีศักยภาพในการตอบสนองความต้องการวัสดุที่เข้มงวดสำหรับใบอ่อนที่สามารถเดินทางได้ที่ ความเร็วสัมพัทธภาพ

ก่อนการออกแบบเรือใบอ่อนได้ใช้วัสดุเช่นอลูมิเนียม ultrathin, โพลิเมอร์ต่างๆและคาร์บอนไฟเบอร์ แตกต่างจากวัสดุเหล่านี้โครงสร้างนาโนมีความสามารถในการจัดการแสงที่ความยาวคลื่นเกล็ดทำให้พวกเขาได้เปรียบในการตอบสนองความต้องการพร้อมกันของการขับเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพ (สะท้อน) และการจัดการความร้อน (การปล่อย) ตัวอย่างเช่นนักวิจัยแสดงให้เห็นว่าซิลิคอนและซิลิกาซ้อนกันเป็นชั้นสองชั้นแสดงให้เห็นว่าเป็นผลมาจากคุณสมบัติของวัสดุทั้งสองแบบ ในขณะที่ซิลิคอนมีดัชนีหักเหที่ใหญ่ซึ่งสอดคล้องกับแรงขับเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพ แต่ความสามารถในการทำความเย็นที่ต่ำซิลิกามีคุณสมบัติการระบายความร้อนที่ดี แต่มีดัชนีหักเหเล็ก ๆ

ในบทความนี้นักวิจัยยังได้เสนอให้เห็นถึงบุญใหม่ในการวัดความแตกต่างระหว่างการประสบความสำเร็จในการแล่นเรือต่ำและการสะท้อนแสงสูง ในอนาคตแนวคิดนี้จะช่วยลดข้อ จำกัด ในการใช้พลังงานเลเซอร์และขนาดของอาร์เรย์เลเซอร์

พื้นหลังบนใบเรืออ่อน

ถึงแม้จะเป็นแนวความคิดมาเกือบศตวรรษแล้ว แต่ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาเทคโนโลยีได้สัมผัสกับวิสัยทัศน์ของนักวิทยาศาสตร์ในการขับเคลื่อนยานอวกาศด้วยแรงกดดันจากแสง แรงบันดาลใจจากรังสีดวงอาทิตย์ทำให้หางของดาวหางเป็นไปในทางตรงกันข้ามแนวความคิดแรกคือใบสุริยะที่ใช้ความดันรังสีจากแสงแดดมากกว่าจากเลเซอร์

เรือใบแสงอาทิตย์ดวงแรกเปิดตัวในปีพ. ศ. 2553 โดยสำนักงานการสำรวจอวกาศประเทศญี่ปุ่น (JAXA) และประสบความสำเร็จในการโคจรของดาวศุกร์ในระยะเวลาหกเดือนขับเคลื่อนด้วยความกดดันจากรังสีจากแสงแดด ตอนนี้นักวิจัยกำลังทำงานเกี่ยวกับการออกแบบใบสุริยะที่สามารถเร่งความเร็วได้มากขึ้นซึ่งสามารถแข่งขันกับการเร่งความเร็วของจรวดซึ่งเป็นความเป็นไปได้ที่จะนำยานอวกาศมาใช้งานได้โดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายพันล้านดอลล่าร์ของจรวดแบบเดิม

แม้ว่าใบเรือสุริยะอาจได้รับความเร็วเหมือนจรวดแสงแดดค่อนข้างอ่อนแอเมื่อเทียบกับอาร์เรย์เลเซอร์กำลังสูง เป็นผลให้อาร์เรย์เลเซอร์มีศักยภาพในการขับเคลื่อนได้เร็วขึ้นถึงความสัมพันธ์กับความเร็ว - แต่ต้องมีการทำงานมากขึ้นก่อนที่ใบเรือที่ขับเคลื่อนด้วยแสงดังกล่าวจะแสดงให้เห็น

menu
menu