Materiais reflexivos inovadores para acelerar sondas espaciais a anos-luz de distância

Masumi ShibataUma ilustração da espaçonave Starshot Lightsail durante a aceleração por uma matriz de laser terrestre

9 de fevereiro de 2022

Viajar para Alpha Centauri, nosso vizinho de sistema estelar mais próximo a 4,37 anos-luz de distância, levaria muito mais do que uma vida inteira. Mesmo uma das sondas mais rápidas lançadas pela humanidade, a Voyager 1, levaria mais de 70.000 anos para chegar lá em sua velocidade atual de 61.500 quilômetros por hora.

Ainda assim, a perspectiva tentadora de alcançar outras estrelas em nossas vidas motivou muitos engenheiros a criar abordagens criativas para acelerar a propulsão de espaçonaves, incluindo velas de luz acionadas a laser. Em vez de aproveitar o vento como seus antigos primos a bordo, as velas leves são impulsionadas pela luz refletida em suas superfícies.

Fundado porTiro estelar inovador, um programa de pesquisa e engenharia de $ 100 milhões que busca desenvolver uma nova tecnologia para viagens interestelares não tripuladas, a pesquisa foi publicada recentemente na Nano Letters. Em dois artigos separados, os grupos propuseram e avaliaram novos conceitos na forma, tamanho e materiais das futuras velas leves projetadas para acelerar rapidamente enquanto permanecem frias, para que não superaqueçam e evaporem no espaço.

Um poderoso pulso de laser irradiado da superfície da Terra forneceria o impulso necessário para atingir as grandes velocidades necessárias para uma viagem interestelar mais rápida. Este feixe aceleraria uma pequena "nanonave", não mais pesada que um terço de uma onça, através do vácuo do espaço. Se projetada corretamente, tal espaçonave poderia atingir velocidades em torno de 20% da velocidade da luz, cerca de 3,6 milhões de quilômetros por hora. A essas velocidades, a espaçonave Alpha Centauri poderia chegar ao seu destino em cerca de 30 anos e poderia transmitir imagens e medições de volta à Terra.

A humanidade nunca acelerou objetos macroscópicos a tais velocidades relativísticas antes. Para alcançar esse avanço, são necessárias propriedades extremas de todos os componentes envolvidos, desde os lasers até a sonda ultraleve, bem como a própria vela.

As velas devem ser extraordinariamente leves - muito mais leves que uma pena - mas capazes de refletir adequadamente a luz do laser para se impulsionar para a frente. Uma vela com cerca de 2 metros de diâmetro pode pesar menos de um grama, ou alguns milésimos de libra.

Emum dos papéis, os grupos de pesquisa abordaram um desafio fundamental enfrentado pelas velas de laser: absorver até mesmo uma pequena fração da luz do laser em uma vela poderia destruí-la.

“Demonstramos projetos que têm a capacidade de acelerar rapidamente a vela e a embarcação que está puxando, garantindo que não se desintegre imediatamente”. disse Aaswath Raman.

"Infelizmente, quando você aponta um laser poderoso para algo, mesmo que absorva uma fração muito pequena dessa luz do laser, ele tende a ficar muito quente", disse Aaswath Raman, professor assistente de ciência e engenharia de materiais da UCLA que liderou este estudo. estudar. "Nosso objetivo era resolver esse problema projetando velas de luz em nanoescala que aproveitam as propriedades únicas do material e os comportamentos ópticos que surgem quando os materiais são estruturados em escalas comparáveis ​​ao comprimento de onda da luz incidente. Demonstramos projetos que têm a capacidade de acelerar rapidamente a vela e o nave que está puxando, certificando-se de que não se desintegre imediatamente."

Pesquisas anteriores sobre velas leves se concentraram em aumentar a velocidade do veículo em detrimento da durabilidade ou vice-versa, mas a equipe da UCLA-UPenn pretende encontrar um equilíbrio realista entre ambos.

A equipe incorporou dissulfeto de molibdênio, um material emergente "2D" atomicamente fino com alto índice de refração, junto com nitreto de silício, um material que também possui as propriedades necessárias para irradiar o calor de forma eficaz. Sua modelagem mostra que esse projeto de vela poderia não apenas sobreviver à fase de aceleração inicial que impulsiona as velas leves para frente, mas também atingir a velocidade alvo a uma distância próxima à Terra. Isso é importante porque o laser direcionado à vela será irradiado da Terra e não poderá impulsionar a vela quando o veículo ultrapassar uma certa distância.