宾夕法尼亚大学的埃文·勒纳 艺术家构想的Starshot光帆飞船在地面激光阵列的加速过程中
以前对光帆的概念是想象它们被来自太阳的光被动推动，但是Starshot基于激光的方法需要重新考虑帆的形状和组成，这样它就不会在加速过程中融化或撕裂
鸣谢:Masumi Shibata，突破性举措 天文学家已经等待了几十年詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射，该望远镜有望比以往任何时候都更深入太空
但是，如果人类真的想到达我们最近的恒星邻居，他们需要等待相当长的时间:用火箭将探测器发送到半人马座阿尔法星将需要大约80，000年才能完成这次旅行
机械工程和应用力学系的副教授Igor Bargatin正试图用人类最古老的交通技术之一——帆船——的思想来解决这个未来的问题
作为突破Starshot计划的一部分，他和他的同事们正在设计一种不是由风而是由光推动的帆的尺寸、形状和材料
使用纳米薄材料和一系列强大的激光，这样的帆可以以五分之一光速携带一个微芯片大小的探测器，足以在大约20年内，而不是1000年内到达半人马座阿尔法星
“在我们有生之年到达另一颗恒星需要相对论速度，或者接近光速的速度，”Bargatin说
“轻帆的想法已经有一段时间了，但我们现在才想出如何确保这些设计在旅行中存活下来
" 该领域的许多早期研究认为，太阳会被动地提供光帆行驶所需的所有能量
然而，Starshot计划让它的船帆达到相对论速度需要更集中的能源
一旦船帆进入轨道，一个巨大的地基激光器阵列将把光束对准船帆，提供比太阳强数百万倍的光强度
鉴于激光的目标将是一个3米宽的结构，比一张纸薄1000倍，如何防止船帆撕裂或熔化是一个重大的设计挑战
加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院电气和系统工程系助理教授Bargatin，Deep Jariwala和材料科学和工程系助理教授Aaswath Raman现在在《纳米快报》杂志上发表了两篇论文，概述了一些基本规范
Bargatin领导的一篇论文表明，Starshot的轻型帆——拟由超薄氧化铝和二硫化钼制成——将需要像降落伞一样摆动，而不是像以前的许多研究假设的那样保持平坦
“这里的直觉是，无论是在帆船上还是在太空中，非常紧的帆更容易撕裂，”Bargatin说
“这是一个相对容易理解的概念，但我们需要做一些非常复杂的数学运算，以实际展示这些材料在这一尺度下的表现
" Bargatin和他的同事们认为，深度和宽度大致相同的弯曲结构，最能承受船帆的超加速张力，这是地球引力的几千倍
“激光光子将充满船帆，就像空气给沙滩球充气一样，”马修·坎贝尔说，他是巴尔加廷小组的博士后研究员，也是第一篇论文的第一作者
“我们知道，重量轻的压力容器应该是球形或圆柱形的，以避免撕裂和破裂
想想丙烷罐，甚至火箭上的燃料罐
" 由拉曼领导的另一篇论文提供了关于船帆内纳米尺度图案如何最有效地消散比太阳强大一百万倍的激光束带来的热量的见解
拉曼解释说:“如果船帆吸收哪怕是很小一部分入射的激光，它们就会被加热到非常高的温度。”
“为了确保它们不只是解体，我们需要最大限度地提高它们散发热量的能力，这是太空中唯一可用的传热模式
" 早期的光帆研究表明，使用光子晶体设计，本质上是用规则间隔的孔来研究帆的“织物”，将最大化结构的热辐射
研究人员的新论文增加了另一层周期性:船帆织物样本捆绑在一个网格中
由于孔的间距与光的波长相匹配，样本的间距与热发射的波长相匹配，船帆可以承受更强大的初始推力，从而减少激光停留在目标上的时间
“几年前，甚至对这种类型的概念进行思考或理论研究都被认为是遥不可及的，”贾里瓦拉说
“现在，我们不仅有了一个设计，而且这个设计是基于我们实验室中可用的真实材料
我们未来的计划是在小规模上制造这种结构，并用高功率激光进行测试
" 贾里瓦拉实验室的博士后研究员帕万·库马尔，以及加州大学洛杉矶分校萨缪利分校拉曼实验室的成员约翰·布鲁尔和萨钦·库尔卡尼都对这项研究做出了贡献
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