Beam Rider: Cánh buồm laze 'Tự định tâm' mới có thể cho phép di chuyển giữa các vì sao

Pin
Send
Share
Send

Một nghiên cứu mới cho thấy tàu vũ trụ có thể bay tới các ngôi sao xa xôi bằng cách sử dụng các cánh buồm có bề mặt tương tự như đĩa CD và DVD để giúp chúng tập trung vào các chùm tia laser.

Tên lửa thông thường được điều khiển bởi các phản ứng hóa học hiện đang là hình thức chủ yếu của lực đẩy không gian. Tuy nhiên, chúng không ở đâu đủ hiệu quả để đến được một ngôi sao khác trong vòng đời của con người. Ví dụ, mặc dù Alpha Centauri là hệ thống ngôi sao gần nhất với Trái đất, nó vẫn dối trá về 4,37 năm ánh sáng, tương đương với hơn 25,6 nghìn tỉ dặm (41,2 nghìn tỉ km), tương đương hơn 276.000 lần so với khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời. Nó sẽ mất của NASA Tàu vũ trụ Voyager 1, được ra mắt vào năm 1977 và đạt đến không gian giữa các vì sao vào năm 2012, khoảng 75.000 năm để đến Alpha Centauri nếu tàu thăm dò đi đúng hướng (điều này không đúng).

Vấn đề với tất cả các máy đẩy mà tàu vũ trụ hiện nay sử dụng cho động cơ đẩy là chất đẩy mà chúng mang theo có khối lượng. Những chuyến đi dài đòi hỏi rất nhiều nhiên liệu, khiến tàu vũ trụ trở nên nặng nề, do đó, đòi hỏi nhiều nhiên liệu hơn, khiến chúng nặng hơn, v.v. Vấn đề đó trở nên tồi tệ hơn theo cấp số nhân khi tàu vũ trụ càng lớn.

Nghiên cứu trước đây đã đề xuất rằng "chèo thuyền nhẹ" có thể là một trong những cách khả thi về mặt kỹ thuật duy nhất để đưa tàu thăm dò đến một ngôi sao khác trong vòng đời của con người. Mặc dù ánh sáng không gây ra nhiều áp lực, nhưng các nhà khoa học từ lâu đã cho rằng những gì nó ít được áp dụng có thể có ảnh hưởng lớn. Thật vậy, nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng "những cánh buồm mặt trời" có thể dựa vào ánh sáng mặt trời để tạo lực đẩy, được cho một chiếc gương đủ lớn và một con tàu vũ trụ đủ nhẹ.

Sáng kiến ​​đột phá 100 triệu đô la Starshot, được công bố vào năm 2016, có kế hoạch phóng một loạt tàu vũ trụ cỡ microchip tới Alpha Centauri, mỗi chiếc đều có những cánh buồm cực kỳ mỏng, phản xạ cực mạnh được đẩy bởi những tia laser mạnh nhất từng được chế tạo. Kế hoạch cho chúng bay với tốc độ ánh sáng lên tới 20%, đạt Alpha Centauri trong khoảng 20 năm.

Một mối quan tâm với việc sử dụng các cánh buồm laser là nếu chúng trôi ra khỏi vị trí thẳng hàng với các chùm tia laser đẩy - sẽ dựa vào đây trên Trái đất, ít nhất là ban đầu, trong Kế hoạch đột phá của Starshot - họ có thể xoay chuyển dữ dội khỏi mục tiêu của họ. Bây giờ các nhà khoa học đã thiết kế và thử nghiệm một cánh buồm mới về nguyên tắc có thể tự động tập trung vào chùm tia laser trong vài phút cần thiết, cho phép tàu vũ trụ tiếp tục hành trình liên hành tinh hoặc thậm chí giữa các vì sao.

Cánh buồm mới dựa vào các cấu trúc được gọi là cách tử nhiễu xạ, phiên bản quen thuộc nhất được thấy trong CD và DVD. Một cách tử nhiễu xạ là một bề mặt được bao phủ bởi một loạt các đường rạch hoặc khe hiển vi cách đều đặn có thể tán xạ hoặc nhiễu xạ ánh sáng, tạo ra các bước sóng hoặc màu sắc khác nhau của ánh sáng truyền theo các hướng khác nhau.

Một bản ghi trên đĩa CD hoặc DVD được mã hóa dưới dạng các lỗ cực nhỏ có độ dài khác nhau được đặt trong các hàng có cùng chiều rộng và khoảng cách bằng nhau, và các chùm tia laser có thể quét các đĩa này để đọc dữ liệu của chúng. Các hàng này tạo thành một nhiễu xạ trên bề mặt gương của đĩa CD và DVD có thể phân chia ánh sáng trắng thành nhiều màu tạo nên nó, dẫn đến các mẫu cầu vồng mà người ta có thể nhìn thấy trên các đĩa này.

Tác giả nghiên cứu cao cấp Grover Swartzlander, nhà vật lý quang học tại Học viện Công nghệ Rochester ở New York, nói: "Nếu bạn đã từng xem thử trò chơi ánh sáng tuyệt đẹp từ một đĩa nhỏ gọn, bạn sẽ thấy tác động của nhiễu xạ". .

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một cánh buồm bao gồm hai cách tử nhiễu xạ được đặt cạnh nhau. Mỗi cách tử được làm bằng các tinh thể lỏng thẳng hàng được chứa trong một tấm nhựa. Các tinh thể lỏng tương tự thường được sử dụng trong màn hình điện tử của màn hình video và đồng hồ kỹ thuật số.

Các thiết kế cánh buồm nhẹ trước đây hoạt động giống như những tấm gương phản chiếu chùm ánh sáng trở lại tại nguồn của chúng. Trong thiết kế mới, các tinh thể lỏng trong mỗi cách tử nhiễu xạ làm lệch hướng các tia sáng ở một góc, tạo ra các lực đẩy cánh buồm cả về phía sau và sang một bên.

Cách tử ở phía bên trái của cánh buồm mới làm lệch hướng ánh sáng sang bên phải của tia laser, trong khi cách tử ở phía bên phải làm lệch hướng ánh sáng sang trái. Nếu cánh buồm trôi đi để tia laser rơi vào hai bên cánh buồm, điều đó sẽ đẩy cánh buồm trở lại vị trí với ánh sáng rơi vào trung tâm của cánh buồm.

Trong các thử nghiệm trên cánh buồm thử nghiệm của họ, các nhà khoa học đã phải phát hiện các lực cực nhỏ mà cánh buồm tạo ra để phản ứng với tia laser trong khi phân biệt các lực đó với các nhiễu loạn như rung động của tòa nhà hoặc dòng không khí.

"Chúng tôi đã thất vọng khi thấy rằng các phép đo của chúng tôi không đáng tin cậy nếu sàn bị chùng xuống từ trọng lượng của một người nhỏ", Swartzlander nói. "Cuối cùng, chúng tôi đã tìm thấy các vị trí và phương pháp thích hợp để tránh xáo trộn."

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện thành công cánh buồm tạo ra các lực định tâm lại đẩy nó trở lại thẳng hàng với một chùm tia laser.

"Thật hài lòng khi thấy rằng kết quả thử nghiệm đã đồng ý với dự đoán lý thuyết của chúng tôi", Swartzlander nói. "Thỏa thuận này cho thấy rằng chúng tôi có thể tự tin thiết kế các cấu trúc nhiễu xạ phức tạp hơn cho các cánh buồm nhẹ được điều khiển bởi ánh sáng mặt trời hoặc tia laser."

Các nhà nghiên cứu hiện đang thử nghiệm những cánh buồm có khả năng định tâm nếu chúng trôi theo bất kỳ hướng nào, không chỉ trái hay phải. "Thật thú vị, chúng có thể có các thuộc tính quang học rất giống với bản chất nhiễu xạ của các đĩa compact", Swartzlander nói.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu đề xuất, những cánh buồm của họ có thể được thử nghiệm trên Trạm vũ trụ quốc tế hoặc trên một vệ tinh nhỏ quanh Trái đất. Họ chi tiết phát hiện của họ trực tuyến ngày 13 tháng 12 trên tạp chí Vật lý Đánh giá.

  • Thư viện ảnh: Tầm nhìn của Du lịch giữa các vì sao
  • Công nghệ đáng kinh ngạc: Du hành không gian và thám hiểm
  • 10 ngoại hành tinh có thể tổ chức cuộc sống ngoài hành tinh

Pin
Send
Share
Send