Fotonisista kiteistä laserohjattuja valopurjeita

Tutkijat ovat vuosikymmenten ajan tutkineet valopurjeita vaihtoehtona perinteisille polttoainetta mukanaan kuljettaville avaruusaluksille.

Sellaiset käyttävät säteilypainetta – voimaa, joka syntyy, kun valo heijastuu pinnalta – työntövoiman tuottamiseen. Tehokkaan laserin ohjaamana valopurje voi kiihtyä jatkuvasti ilman polttoainetta, mikä mahdollistaa nopeamman matkustamisen aurinkokunnan halki.

Nykyisissä valopurjeissa käytetään tyypillisesti metallipäällysteisiä polymeerikalvoja. Vaikka nämä kalvot heijastavat valoa tehokkaasti, ne myös absorboivat osan tulevasta energiasta ja muuntavat sen lämmöksi.

Heijastavuuden parantaminen vaatii usein materiaalin lisäämistä, mikä lisää painoa ja heikentää propulsiotehokkuutta. Tämä kompromissi on hidastanut käytännön valopurjejärjestelmien kehitystä.

Journal of Nanophotonics –lehdessä NASAn rahoittamat tutkijat raportoivat kehittäneensä valopurjeen fotonisesta kiteestä, joka on suunniteltu ratkaisemaan nämä rajoitukset.

Ehdotettu rakenne koostuu nanoskaalan kuviosta, joka on muodostettu kolmesta dielektrisestä komponentista: germaniumpilareista, ilmarei'istä ja polymeerimatriisista.

Toisin kuin perinteisissä kahden materiaalin fotonisissa rakenteissa, ehdotettu arkkitehtuuri yhdistää kolme dielektristä aluetta – korkean indeksin germaniumnanopilarit, matalan indeksin ilmahuokoset ja polymeeri-isäntämatriisin – muodostaen aallonpituusselektiivisen fotonisen kaistanleveysrakenteen, joka on optimoitu propulsiospesifistä heijastavuutta varten.

Tämä konfiguraatio muodostaa kapean fotonisen kaistanleveyden, joka on keskittynyt propulsioaallonpituuteen, mikä johtaa korkeaan heijastavuuteen kyseisen spektri-ikkunan sisällä ja pysyy samalla suurelta osin läpinäkyvänä suunnitellun kaistan ulkopuolella.

Lopullinen rakenne saavuttaa noin 90 %:n heijastavuuden 1,2 mikrometrin aallonpituudella.

Propulsiokyvyn arvioimiseksi tutkijat mallinsivat yhden neliömetrin purjeen, jota valaisi 100 kW:n laser. Simulaatiot osoittavat, että ennustettu heijastavuus voisi tuottaa jatkuvaa työntövoimaa, joka voisi kiihdyttää purjeen useiden satojen metrien sekuntinopeuteen idealisoiduissa olosuhteissa. Vaikka tämä suorituskykytaso ei riitä tähtienvälisiin lentoihin, se voisi tukea kevyitä luotaimia planeettojen välisessä tutkimuksessa.

Aiheesta aiemmin:

Sähköllä mennään ja valolla viestitellään