Первый световой парус для межзвёздных перелётов: скорость света увеличена на 20%

Трёхслойная плёнка толщиной в сотни нанометров выдерживает давление лазера мощностью 100 гигаватт и сокращает время полёта к Альфе Центавра с 75 000 до 20 лет

Инженеры из Пенсильванского университета (UPenn), Калифорнийского технологического института (Caltech) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) осуществили практическую реализацию концепции лазерных межзвёздных полётов, основанной на теоретической физике.

Команда разработала образец многослойного светового паруса из дисульфида молибдена и оксида алюминия, обладающий высокой отражательной способностью и эффективным теплоотводом. Эта конструкция успешно решает давнюю проблему достижения баланса между минимальным весом, оптической эффективностью и термической устойчивостью, которые ранее считались несовместимыми. Результаты испытаний и сравнительные показатели эффективности материала опубликованы в журнале Nature Communications.

Современные химические ракеты требуют от 75 000 до 165 000 лет, чтобы добраться до ближайшей звёздной системы Альфа Центавра. Инициатива Breakthrough Starshot предлагает альтернативный подход: оставить источник энергии на Земле в виде массива лазеров мощностью 100 гигаватт, которые будут освещать парус микроскопического зонда массой около 1 грамма. Поток фотонов должен разогнать аппарат до 1/5 скорости света (примерно 60 000 километров в секунду) всего за 7 минут, сокращая время полёта до 20 лет.

До сих пор не существовало материала, способного выдержать такой процесс. Плёнка, которая поглощает даже небольшую долю энергии гигаваттного лазера, моментально плавится, а слишком тонкий материал рвётся под колоссальным давлением луча. Чтобы преодолеть это физическое ограничение, инженеры разработали трёхслойную структуру, где каждый слой выполняет свою задачу.

Основой паруса служит слой дисульфида молибдена (MoS2), который обладает высоким коэффициентом преломления и эффективно отражает инфракрасный свет лазера. Ядро зажато между двумя ультратонкими слоями оксида алюминия (Al2O3). Эта оболочка защищает хрупкое сердце и действует как радиатор, отводя излишки тепла в космос до того, как парус успеет перегреться.

Ещё одной проблемой была механическая прочность. Лист толщиной в несколько сотен нанометров легко поддается сжатию, слипается и рвётся. Инженеры применили метод гексагонального гофрирования: нанесли на парус микроскопический узор в виде пчелиных сот. Работая по принципу гофрокартона, такая архитектура значительно повысила жёсткость материала на изгиб без добавления лишнего веса и защитила плёнку от распространения микротрещин. Кроме того, такая конструкция позволяет парусу выдерживать экстремальные изгибы и восстанавливать форму, что облегчает развертывание после транспортировки в сложенном состоянии.

Лабораторные испытания показали, что вес созданных прототипов составляет менее 1 грамма на квадратный метр (примерно в 100 раз легче обычной бумаги). При этом парус отражает более 50% попадающего лазерного излучения и поглощает менее 4%, эффективно преобразуя свет в кинетическую энергию.

На данный момент прототип является единственным, способным достичь релятивистской цели на основании измеренного, а не только теоретически рассчитанного спектра отражения.

Создание массивов наземных лазеров диаметром 26 километров остаётся задачей будущего, однако напечатанные паруса уже имеют практическую ценность.

Для превращения прототипа в полномасштабный межзвёздный парус инженеры планируют сосредоточиться на улучшении термостойкости, масштабировании производства и решении вопросов механической стабильности. Чтобы избежать перегрева от мощных лазеров, планируется преобразовать аморфный оксид алюминия в кристаллический сапфир, протестировать новые методы осаждения дисульфида молибдена и повысить теплоотдачу за счёт поверхностных микроструктур, а также исследовать альтернативные внешние слои. Увеличить площадь паруса помогут методы травления и рулонной нанолитографии, которые теоретически можно применять прямо в вакууме на низкой околоземной орбите. Одновременно физикам предстоит изучить эффекты двухфотонного поглощения, смоделировать оптимальную толщину наноплёнок и добиться устойчивого удержания полотна в центре лазерного луча, что в будущем позволит протестировать эту технологию для развертывания систем космической связи или доставки исследовательских зондов к Юпитеру всего за 4 дня.