Concezione artistica della navicella spaziale Starshot Lightsail durante l'accelerazione da parte di un array laser a terra. Le precedenti concezioni delle vele luminose le immaginavano spinte passivamente dalla luce del sole, ma l'approccio basato sul laser di Starshot richiede di ripensare la forma e la composizione della vela in modo che non si sciolga o si strappi durante l'accelerazione. Credito:Masumi Shibata, Iniziative rivoluzionarie
Gli astronomi hanno atteso decenni per il lancio del telescopio spaziale James Webb, che promette di scrutare nello spazio più lontano che mai. Ma se gli umani vogliono effettivamente raggiungere il nostro vicino stellare più vicino, dovranno aspettare ancora un po':una sonda inviata ad Alpha Centauri con un razzo richiederebbe circa 80.000 anni per compiere il viaggio.
Igor Bargatin, Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata, sta cercando di risolvere questo problema futuristico con idee tratte da una delle più antiche tecnologie di trasporto dell'umanità:la vela.
Nell'ambito della Breakthrough Starshot Initiative, lui e i suoi colleghi stanno progettando le dimensioni, la forma e i materiali per una vela spinta non dal vento, ma dalla luce.
Utilizzando materiali nanoscopicamente sottili e una serie di potenti laser, una tale vela potrebbe trasportare una sonda delle dimensioni di un microchip a un quinto della velocità della luce, abbastanza veloce da compiere il viaggio ad Alpha Centauri in circa 20 anni, anziché in millenni.
"Raggiungere un'altra stella nel corso della nostra vita richiederà una velocità relativistica, o qualcosa che si avvicini alla velocità della luce", afferma Bargatin. "L'idea di una vela leggera esiste da un po' di tempo, ma solo ora stiamo cercando di capire come fare in modo che quei progetti sopravvivano al viaggio."
Gran parte della precedente ricerca nel campo ha presupposto che il sole avrebbe fornito passivamente tutta l'energia di cui le vele leggere avrebbero bisogno per muoversi. Tuttavia, il piano di Starshot di portare le sue vele a velocità relativistiche richiede una fonte di energia molto più mirata. Una volta che la vela è in orbita, un'enorme schiera di laser a terra eleverebbe i propri raggi su di essa, fornendo un'intensità luminosa milioni di volte maggiore di quella del sole.
Dato che il bersaglio dei laser sarebbe una struttura larga tre metri mille volte più sottile di un foglio di carta, capire come evitare che la vela si strappi o si sciolga è una grande sfida progettuale.
Bargatin, Deep Jariwala, Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi, e Aaswath Raman, Assistant Professor presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la UCLA Samueli School of Engineering, hanno ora pubblicato un paio di articoli sulla rivista Lettere Nano che delineano alcune di queste specifiche fondamentali.
Un articolo, guidato da Bargatin, dimostra che le vele leggere di Starshot, proposte per essere costruite con fogli ultrasottili di ossido di alluminio e bisolfuro di molibdeno, dovranno fluttuare come un paracadute piuttosto che rimanere piatte, come ipotizzava gran parte della ricerca precedente.
"L'intuizione qui è che una vela molto stretta, che sia su una barca a vela o nello spazio, è molto più soggetta a lacrime", dice Bargatin. "È un concetto relativamente facile da comprendere, ma dovevamo fare dei calcoli molto complessi per mostrare effettivamente come si sarebbero comportati questi materiali su questa scala."
Piuttosto che un telo piatto, Bargatin e i suoi colleghi suggeriscono che una struttura curva, profonda quanto è larga all'incirca, sarebbe più in grado di sopportare lo sforzo dell'iperaccelerazione della vela, una spinta migliaia di volte quella della gravità terrestre.
"I fotoni laser riempiranno la vela proprio come l'aria gonfia un pallone da spiaggia", afferma Matthew Campbell, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Bargatin e autore principale del primo articolo. "E sappiamo che i contenitori leggeri e pressurizzati dovrebbero essere sferici o cilindrici per evitare strappi e crepe. Pensa ai serbatoi di propano o persino ai serbatoi di carburante sui razzi".
L'altro documento, guidato da Raman, fornisce approfondimenti su come la modellazione su scala nanometrica all'interno della vela potrebbe dissipare in modo più efficiente il calore che deriva da un raggio laser un milione di volte più potente del sole.
"If the sails absorb even a tiny fraction of the incident laser light, they'll heat up to very high temperatures," Raman explained. "To make sure they don't just disintegrate, we need to maximize their ability to radiate their heat away, which is the only mode of heat transfer available in space."
Earlier light-sail research showed that using a photonic crystal design, essentially studding the sail's "fabric" with regularly spaced holes, would maximize the structure's thermal radiation. The researchers' new paper adds another layer of periodicity:swatches of sail fabric lashed together in a grid.
With the spacing of the holes matching the wavelength of light and the spacing of the swatches matching the wavelength of thermal emission, the sail could withstand an even more powerful initial push, reducing the amount of time the lasers would need to stay on their target.
"A few years ago, even thinking or doing theoretical work on this type of concept was considered far-fetched," Jariwala says. "Now, we not only have a design, but the design is grounded in real materials available in our labs. Our plan for the future would be to make such structures at small scales and test them with high-power lasers."
Pawan Kumar, a postdoctoral researcher in Jariwala's lab, as well as John Brewer and Sachin Kulkarni, members of Raman's lab at UCLA Samueli, contributed to this research. + Esplora ulteriormente
