科学家提出新设计：在星际航行中不会被撕裂的相对论“光帆”

天文学家一直在等待詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射，该望远镜有望比以往任何时候都能更远地窥视太空。但是，如果人类想要真正到达我们最近的恒星“邻居”，将需要等待相当长的时间：用火箭送去半人马座阿尔法星的探测器将需要大约8万年的时间来完成这一旅程。宾夕法尼亚大学机械工程和应用力学系副教授Igor Bargatin正试图用人类最古老的运输技术之一的想法来解决这个未来的问题：帆。

作为 “Breakthrough Starshot”计划的一部分，他和他的同事正在设计不是由风而是由光推动的帆的尺寸、形状和材料。

使用纳米级的薄材料和强大的激光器阵列，这样的帆可以以五分之一的光速携带一个微芯片大小的探测器，其速度足以在大约20年内到达半人马座阿尔法星，而不是千年。

Bargatin说：“在我们有生之年到达另一颗恒星需要相对论速度，或接近光速的速度。光帆的想法已经存在了一段时间，但我们现在才弄清楚如何确保这些设计能在旅行中存活下来。”

该领域早期的大部分研究都假定，太阳将被动地提供光帆移动所需的所有能量。然而，Starshot的计划是使其帆达到相对论速度，这需要一个更集中的能量来源。一旦光帆进入轨道，一个大规模的地面激光器阵列将对其进行光束训练，提供比太阳大数百万倍的光强度。

鉴于激光器的目标将是一个三米宽的结构，其厚度只有一张纸的千分之一，如何防止帆的撕裂或熔化是一个重大的设计挑战。

Bargatin、Deep Jariwala（电气和系统工程系的副教授）和Aaswath Raman（加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院材料科学和工程系的助理教授）现在在《纳米通讯》杂志上发表了一对论文，概述了其中的一些基本规范。

由Bargatin领导的一篇论文表明，Starshot的光帆--建议由超薄的氧化铝和二硫化钼片构成--将需要像降落伞一样滚动，而不是像以前的大部分研究假设的那样保持平坦。

Bargatin说：“这里的直觉是，一个非常紧密的帆，无论是在帆上还是在太空中，都更容易被撕裂。这是一个相对容易掌握的概念，但我们需要做一些非常复杂的数学运算，以实际显示这些材料在这种规模下的表现。”

Bargatin和他的同事们建议，一个弯曲的结构，大约和它的宽度一样深，将最能承受帆的超加速的压力，一个数千倍于地球重力的拉力。

Bargatin研究小组的博士后研究员、第一篇论文的主要作者Matthew Campbell说：“激光光子将填充帆，就像空气给沙滩球充气一样。而且我们知道，轻质的加压容器应该是球形或圆柱形的，以避免撕裂和裂缝。想想丙烷罐或甚至火箭上的燃料罐。”

Raman领导的另一篇论文提供了关于帆内的纳米级图案如何能最有效地消散比太阳强大一百万倍的激光束所带来的热量的见解。

Raman解释说：“如果帆吸收了哪怕是一小部分的入射激光，它们就会加热到非常高的温度。为了确保它们不会直接瓦解，我们需要最大限度地提高它们辐射热量的能力，这是太空中唯一可用的热传递模式。”

早期的光帆研究表明，使用光子晶体设计，基本上在帆的“织物”上钉上有规律间隔的孔，将使结构的热辐射最大化。研究人员的新论文增加了另一层周期性：将帆“织物”的碎片以网格的方式绑在一起。

由于孔的间距与光的波长相匹配，而色块的间距与热发射的波长相匹配，帆可以承受更强大的初始推力，减少激光器需要停留在目标上的时间。

Jariwala说：“几年前，即使是思考或做这类概念的理论工作也被认为是牵强附会。现在，我们不仅有一个设计，而且这个设计是以我们实验室里的真实材料为基础的。我们未来的计划是在小范围内制造这种结构，并用高功率激光器进行测试。”