수 광년 떨어진 우주 탐사선을 가속화하는 혁신적인 반사 소재

Masumi Shibata지상 레이저 어레이에 의해 가속되는 동안 Starshot Lightsail 우주선의 그림

2022년 2월 9일

4.37광년 떨어진 가장 가까운 항성계 이웃인 알파 센타우리(Alpha Centauri)로 여행하는 데는 평생보다 훨씬 더 많은 시간이 걸릴 것입니다. 인류가 발사한 가장 빠른 탐사선 중 하나인 보이저 1호도 현재 시속 61,500km의 속도로 그곳에 도착하는 데 70,000년 이상이 걸릴 것입니다.

그럼에도 불구하고, 우리 생애의 다른 별들에 도달할 수 있다는 감질나는 전망은 많은 엔지니어들이 레이저 구동 가벼운 돛을 포함하여 우주선 추진을 가속화하기 위한 창의적인 접근 방식을 고안하도록 동기를 부여했습니다. 고대 선박의 사촌처럼 바람을 이용하는 대신, 가벼운 돛은 표면에서 반사되는 빛에 의해 추진됩니다.

의해 설립되다획기적인 스타샷, 무인 성간 여행을 위한 새로운 기술을 개발하기 위한 1억 달러 규모의 연구 및 엔지니어링 프로그램인 이 연구는 최근 Nano Letters에 게재되었습니다. 두 개의 별도 논문에서 그룹은 우주에서 과열되거나 증발하지 않도록 시원함을 유지하면서 빠르게 가속하도록 설계된 미래 경량 돛의 모양, 크기 및 재료에 대한 새로운 개념을 제안하고 평가했습니다.

지구 표면에서 발사되는 강력한 레이저 펄스는 더 빠른 성간 이동에 필요한 엄청난 속도에 도달하는 데 필요한 추진력을 제공합니다. 이 빔은 1/3 온스도 안 되는 작은 "나노크래프트"를 우주 진공을 통해 가속시킵니다. 올바르게 설계되면 이러한 우주선은 빛 속도의 약 20%, 즉 시속 약 360만 킬로미터의 속도에 도달할 수 있습니다. 이러한 속도로 알파 센타우리(Alpha Centauri)로 향하는 우주선은 약 30년 안에 목적지에 도달할 수 있으며 이미지와 측정값을 지구로 다시 전송할 수 있습니다.

인류는 이전에 거시적 물체를 그러한 상대론적 속도로 가속한 적이 없습니다. 이러한 혁신을 달성하려면 레이저부터 초경량 프로브는 물론 돛 자체까지 관련된 모든 구성 요소에 극한의 특성이 필요합니다.

돛은 깃털보다 훨씬 가벼워야 하며 레이저 빛을 적절하게 반사하여 앞으로 나아갈 수 있어야 합니다. 직경이 약 2미터인 돛의 무게는 1그램, 즉 수천분의 1파운드 미만일 수 있습니다.

~ 안에논문 중 하나, 연구 그룹은 레이저 광선 돛이 직면한 근본적인 문제를 해결했습니다. 즉, 돛에 있는 레이저 빛의 아주 작은 부분이라도 흡수하면 레이저 광선이 파괴될 수 있다는 것입니다.

"우리는 돛과 그것이 끌고 있는 선박을 빠르게 가속하는 동시에 즉시 분해되지 않도록 하는 능력을 갖춘 설계를 시연했습니다." Aaswath Raman이 말했습니다.

"안타깝게도 강력한 레이저를 무언가에 쏘면 레이저 빛의 아주 작은 부분을 흡수하더라도 매우 뜨거워지는 경향이 있습니다"라고 UCLA 재료 과학 및 공학 조교수인 아스와스 라만(Aaswath Raman)은 말했습니다. 공부하다. "우리는 물질이 들어오는 빛의 파장과 비슷한 규모로 구조화될 때 발생하는 독특한 물질 특성과 광학적 거동을 활용하는 나노 규모의 가벼운 돛을 설계함으로써 이 문제를 해결하는 것을 목표로 했습니다. 우리는 돛과 항해를 빠르게 가속할 수 있는 능력이 있는 설계를 시연했습니다. 즉시 분해되지 않도록 하면서 동시에 잡아당겨 나가도록 하세요."

가벼운 돛에 대한 이전 연구는 내구성을 희생하면서 차량 속도를 높이는 데 초점을 맞추거나 그 반대의 경우도 마찬가지였지만 UCLA-UPenn 팀은 두 가지 사이의 현실적인 균형을 맞추는 것을 목표로 합니다.

연구팀은 열을 효과적으로 방출하는 데 필요한 특성을 지닌 물질인 질화규소와 함께 굴절률이 높고 원자적으로 얇은 "2D" 물질인 이황화 몰리브덴을 통합했습니다. 그들의 모델링은 이 돛 디자인이 가벼운 돛을 앞으로 추진하는 초기 가속 단계에서 살아남을 수 있을 뿐만 아니라 지구에 가까운 거리에서 목표 속도에 도달할 수 있음을 보여줍니다. 돛을 겨냥한 레이저는 지구에서 발사되고 차량이 특정 거리를 넘어서면 돛을 추진할 수 없기 때문에 이는 중요합니다.