Medindo o desempenho da trilha de luzes no laboratório

A vela tem sido uma base da história humana há milênios, por isso não é surpresa que os cientistas o apliquem à viagem no espaço. A Solar Sailing, a versão mais comum, usa pressão do sol para empurrar a nave espacial com velas gigantes para fora no sistema solar. No entanto, existe uma versão mais avançada tecnologicamente que vários grupos acham que podem nos oferecer a melhor chance de chegar a Alpha Centauri – velejar leve. Em vez de confiar na luz do sol, essa técnica usa um laser para empurrar uma espaçonave extraordinariamente leve até as velocidades nunca antes alcançadas por qualquer coisa que os humanos construíram. Um desses projetos é apoiado pela iniciativa de Starshot inovadora, fundada inicialmente por Yuri Milner e Stephen Hawking. Um novo artigo de pesquisadores da Caltech, financiado pela iniciativa, explora como testar o que a força um laser teria em uma vela leve enquanto viaja para outra estrela.

O conceito geral de empurrar algo com luz parece bastante simples, mas o diabo está nos detalhes em termos de como ele operará no espaço. O laser e a espaçonave precisam sincronizar mais de milhões de quilômetros. Se ou assim, mover um pouco o ângulo que eles estão definidos, talvez porque um micrometeoróide os atinja, a missão falha porque o ofício acaba em uma parte diferente da galáxia ou o laser não fornece energia suficiente para obtê -lo lá em um período razoável de tempo.

Os testes são a maneira de garantir que esse desastre não aconteça, mas mesmo entender como a física de uma vela leve funcionará por distâncias tão grandes é difícil. Assim, os pesquisadores da Caltech, liderados pelo pós -doutorado Michaeli e pelo doutorado Ramon Gao, construíram uma configuração para testar essas físicas.

As imagens fornecidas como parte de um comunicado à imprensa para acompanhar seu papel na Nature Photonics mostram uma pequena amostra quadrada de vela leve conectada a uma membrana quadrada maior e escavada por um conjunto de quatro molas presas a cada canto da amostra. O que as imagens não fazem um bom trabalho ao capturar é o quão pequena é a amostra – 40 microns por 40 micros não são muito comparados aos 10 m² Para o design final da vela leve.

Mas é um começo, e o equipamento de teste introduziu alguns desafios interessantes de engenharia. O quadrado tem apenas 50 nm de espessura e é feito de nitreto de silício. As molas são feitas do mesmo material, e a configuração geral “parece um trampolim microscópico”, de acordo com o comunicado à imprensa.

Quando a amostra foi submetida a um laser de argônio, ele vibrou. Os pesquisadores sabiam que essa vibração era causada principalmente pelo calor do laser e precisavam diferenciar a vibração causada pelo aquecimento da força aplicada pela própria luz. Para fazer isso, eles se voltaram para um instrumento comumente usado na exploração espacial – um interferômetro.

Nesse caso, era um tipo conhecido como interferômetro de caminho comum. Nesta configuração, os dois feixes de laser do interferômetro viajam essencialmente o mesmo caminho e, portanto, encontram as mesmas condições ambientais. Quando um laser atinge um objeto em movimento e atinge um estacionário, a diferença de movimento pode ser subtraída para provocar o sinal que o pesquisador está procurando – nesse caso, a pressão de radiação do próprio laser.

Uma etapa adicional foi integrar o interferômetro com um microscópio e uma câmara de vácuo, o que acabou permitindo medições até o nível de um picômetro em termos de deslocamento da amostra. Eles também coletaram informações sobre as propriedades mecânicas das molas de nitreto de silício usadas para manter a amostra no local.

Depois que a configuração do teste foi confirmada, o próximo passo foi mover o ângulo, como eles potencialmente faria em um cenário do mundo real. Nesse caso, eles apenas anularam o feixe a laser, mas ainda notaram uma perda significativa de poder de empurrar. Eles teorizaram que a luz atingindo a borda da vela difratou, causando uma perda desse poder que, de outra forma, seria usado para empurrar a vela.

Essa configuração de teste permitirá que os pesquisadores testem como evitar esse destino para a missão de vela leve de longo prazo. Eles já têm algumas idéias sobre a integração de nanomateriais e forças de auto-corrigir que permitiriam que a luz veste automaticamente voltasse ao seu caminho ideal. Mas qualquer desses avanços está muito longe. Apesar da longa jornada a seguir, o desenvolvimento desta cama de teste é um passo (ou talvez um empurrão a laser) na direção certa.

Saber mais:
Caltech – A pressão para explorar: os pesquisadores da CalTech tomam as primeiras etapas experimentais em direção à luz de luzes que podem atingir sistemas estelares distantes
UT – do que as velas leves devem ser feitas?
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Imagem principal:
Imagem de uma troca de luzes flutuantes (à esquerda) e representação da configuração de teste usada na Caltech.
Crédito – Michael et al. / Caltech