如何设计一种在星际航行中不会撕裂或融化的帆

　　江苏激光联盟导读：
　　据悉，科学家正在研究用激光制造星空旅行的＂帆＂。
　　几十年来，天文学家一直在等待James Webb太空望远镜的发射，该望远镜有望比以往任何时候都能观测到更远的太空。但是，如果人类真的想到达离我们最近的恒星邻居，他们需要等待更长的时间：用火箭发射到半人马座阿尔法星的探测器需要大约8万年才能完成这次旅行。
　　一位艺术家在地面激光阵列加速期间对STARSHOT LIGHTSAIL航天器的构想。之前关于光帆的概念设想是，它们被太阳光被动推动，但STARSHOT基于激光的方法需要重新考虑光帆的形状和组成，以便在加速过程中不会融化或撕裂。
　　机械工程与应用力学系副教授Igor Bargatin正试图利用人类最古老的运输技术之一——帆——的理念来解决这个未来主义问题。
　　作为突破性星空计划的一部分，他和他的同事们正在设计帆的尺寸、形状和材料，这种帆不是由风推动的，而是由光推动的。
　　利用纳米级的薄材料和一系列强大的激光，这样的帆可以携带一个微芯片大小的探测器，其速度为光速的五分之一，足以在大约20年而不是数千年后到达半人马座阿尔法星。
　　＂在我们有生之年到达另一颗恒星需要相对论速度，或者接近光速的速度。＂ Bargatin说，＂轻帆的想法已经存在了一段时间，但我们现在正在研究如何确保这些设计在旅行中幸存下来。＂
　　当激光功率充足时，帆的加速度长度随曲率的增大而减小。
　　该领域早期的许多研究都假设太阳会被动地提供光帆移动所需的全部能量。然而，Starshot要使其航速达到相对论速度的计划需要一个更加集中的能量来源。一旦风帆进入轨道，大量地面激光将在其上训练光束，提供比太阳高数百万倍的光强度。
　　考虑到激光的目标是一个3米宽的结构，比一张纸薄1000倍，如何防止帆撕裂或熔化是一个重大的设计挑战。
　　Bargatin Deep Jariwala，和AaswathRaman均为加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院电气与系统工程系助理教授，他们在《纳米快报》杂志上发表了两篇论文，概述了一些基本的规范。
　　由Bargatin领导的一篇论文表明，＂摄星＂的光帆——设想由超薄的氧化铝和二硫化钼薄片构成——将需要像降落伞一样鼓起来，而不是像之前许多研究假设的那样保持平坦。
　　Bargatin说:＂直觉告诉我们，无论是在帆船上还是在太空中，非常紧的帆更容易流泪。这是一个相对容易理解的概念，但我们需要做一些非常复杂的数学计算，以实际显示这些材料在这种规模下会如何表现。＂
　　Bargatin和他的同事认为，一个弯曲的结构，深度和宽度大致相同，而不是一个平板，将最能承受帆的超加速度的拉力，这是地球重力的数千倍。
　　＂激光光子将充满船帆，就像空气使沙滩球膨胀一样，＂Matthew Campbell说，他是Bargatin研究小组的博士后研究员，也是第一篇论文的第一作者。＂我们知道，轻质的压力容器应该是球形或圆柱形的，以避免撕裂和裂缝。想想丙烷罐，甚至火箭上的燃料箱。＂
　　另一篇由Raman领导的论文，提供了关于帆内的纳米尺度图案如何最有效地驱散伴随比太阳强一百万倍的激光束而来的热量的见解。
　　Raman解释说:＂如果这些帆吸收了哪怕一小部分入射激光，它们就会升温到很高的温度。为了确保它们不会分解，我们需要最大限度地提高它们辐射热量的能力，这是太空中唯一可用的传热方式。＂
　　早期的光帆研究表明，使用光子晶体设计，实质上是在帆的＂织物＂上钉上有规律间隔的孔，可以最大限度地提高结构的热辐射。研究人员的新论文增加了另一层周期性:帆织物的样本绑在一个网格中。
　　早期的光帆研究
　　由于孔的间距与光的波长匹配，而色板的间距与热发射的波长匹配，帆可以承受更强大的初始推力，从而减少了激光停留在目标上所需的时间。
　　Jariwala说:＂几年前，就连思考或做这类概念的理论工作都被认为是牵强的。现在，我们不仅有了一个设计，而且这个设计是基于我们实验室中可用的真实材料。我们未来的计划是在小尺度上制造这样的结构，然后用高功率激光器进行测试。＂
　　来自哈工大的研究。
　　Jariwala实验室的博士后研究员Pawan Kumar，以及UCLASamueli Raman实验室的成员John Brewer和Sachin Kulkarni对这项研究做出了贡献。
　　＂突破摄星＂项目是＂突破计划＂的一部分，＂突破计划＂是一套空间科学项目，研究宇宙生命的基本问题。
　　来源：Relativistic Light Sails Need to Billow，Nano Letters，10.1021/acs.nanolett.1c03272
　　江苏激光联盟陈长军原创作品！