Un giorno in un futuro non così lontano, vele leggere possono sfrecciare nello spazio a velocità di circa il 20% della velocità della luce (o 60, 000 km/sec), azionato non dal carburante ma piuttosto dalla pressione di radiazione dei laser ad alta potenza sulla Terra. Viaggiando a queste velocità relativistiche, le vele leggere alimentate a laser potrebbero raggiungere la nostra stella vicina più vicina (diversa dal Sole), Alpha Centauri, o il pianeta potenzialmente abitabile conosciuto più vicino, Proxima Centauri b, tra circa 20 anni. Entrambi gli oggetti sono a poco più di quattro anni luce di distanza.

Progettare vele leggere è una grande sfida ingegneristica, però, richiedono caratteristiche contrastanti che sembrano quasi impossibili:una vela leggera ideale dovrebbe essere larga diversi metri e meccanicamente abbastanza robusta da resistere a un'intensa pressione di radiazione, ma avere uno spessore di appena 100 nanometri o giù di lì e pesare solo pochi grammi.

Ulteriori requisiti derivano dal meccanismo con cui funzionano le vele leggere. Secondo le equazioni di Maxwell, la luce ha slancio e di conseguenza può esercitare una pressione sugli oggetti. Però, le vele leggere non sono semplicemente spinte dalla pressione delle radiazioni come una barca a vela è spinta dal vento. Anziché, la spinta risulta dalla vela leggera che riflette la radiazione. Di conseguenza, una vela ottimale dovrebbe riflettere la maggior parte della radiazione nello spettro del vicino infrarosso del raggio laser, mentre contemporaneamente emette radiazioni nella gamma del medio infrarosso per un efficiente raffreddamento radiativo.

Vele nanofotoniche

In un nuovo studio pubblicato su Nano lettere , ricercatori Ognjen Ilic, Cora è andata, e Harry Atwater al California Institute of Technology, Pasadena, hanno dimostrato che le strutture nanofotoniche possono avere il potenziale per soddisfare i severi requisiti di materiale per vele leggere in grado di viaggiare a velocità relativistiche.

I precedenti progetti di vele leggere utilizzavano materiali come l'alluminio ultrasottile, vari polimeri, e fibra di carbonio. A differenza di questi materiali, le strutture nanofotoniche hanno la capacità di manipolare la luce su scale di lunghezze d'onda inferiori, dando loro un vantaggio nell'affrontare le esigenze simultanee di propulsione efficiente (riflessione) e gestione termica (emissione). Come esempio, i ricercatori hanno dimostrato che una pila a due strati di silicio e silice è promettente grazie alle proprietà combinate di entrambi i materiali. Considerando che il silicio ha un grande indice di rifrazione, che corrisponde a una propulsione efficiente, ma una scarsa capacità di raffreddamento, la silice ha buone proprietà di raffreddamento radiativo ma un indice di rifrazione più piccolo.

Nella loro carta, i ricercatori hanno anche proposto una nuova cifra di merito che misura il compromesso tra il raggiungimento di una massa velica ridotta e un'elevata riflettività. Nel futuro, questo concetto aiuterà a ridurre al minimo i vincoli sulla potenza del laser e sulla dimensione dell'array laser.

Sfondo su vele leggere

Sebbene concettualizzato per quasi un secolo, solo negli ultimi decenni la tecnologia ha raggiunto le prime visioni degli scienziati di spingere un veicolo spaziale con la pressione della luce. Ispirato dal modo in cui la radiazione solare spinge la coda di una cometa nella direzione opposta, i primi concetti erano di vele solari che utilizzano la pressione di radiazione dalla luce solare piuttosto che dai laser.

La prima vela solare è stata lanciata nel 2010 dalla Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) e ha raggiunto con successo l'orbita di Venere in sei mesi, alimentato solo dalla pressione di radiazione della luce solare. Ora i ricercatori stanno lavorando alla progettazione di vele solari capaci di maggiori accelerazioni che siano competitive con l'accelerazione dei razzi, offrendo la possibilità di lanciare veicoli spaziali senza il costo miliardario dei propellenti convenzionali.

Sebbene le vele solari possano raggiungere velocità simili a razzi, la radiazione solare è relativamente debole rispetto a un array laser ad alta potenza. Di conseguenza, un array laser offre il potenziale per una propulsione molto più veloce, fino a velocità relativistiche, ma è necessario più lavoro prima che tali vele a motore laser vengano dimostrate.

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