سفر بین ستاره‌ای مدتهاست که یک رویا بوده، اما رسیدن به ستارگان بسیار دشوار است. یک پروژه جدید قصد دارد جامعه فضایی را به تحقق این رویا نزدیک‌تر می‌کند. ابتکار Breakthrough Starshot که توسط فیزیکدان نظری استفان هاوکینگ و دانشمند یوری میلنر پشتیبانی می‌شود، قصد دارد فضاپیماهای مینیاتوری را به آلفا قنطورس، نزدیکترین منظومه ستاره‌ای ما، بفرستد.
جالب اینجاست که این فضاپیما از یک روش پیشرانش نوآورانه استفاده می‌کند؛ بادبان‌های نوری (Lightsail) [یا نور بادبان (نوربان)]. این نوع بادبان‌های بازتابنده از فشار لیزرها یا نور ستاره برای راندن فضاپیما استفاده می‌کنند. این بادبان‌های فوق‌العاده نازک می‌توانند به سرعت‌هایی بی‌نظیر دست یابند. اما ساخت و آزمایش این بادبان‌ها یک کار پیچیده است.
هری آتواتر از موسسه کلتک توضیح می‌دهد:
این بادبان نوری، سریع‌تر از هر فضاپیمای قبلی حرکت خواهد کرد و پتانسیل این را دارد که در نهایت فواصل بین ستاره‌ای را برای اکتشاف مستقیم فضاپیما باز کند، اکتشافی که اکنون فقط از طریق مشاهدات از راه دور امکان‌پذیر است.
تجربه کوچک بادبان نوری
محققان کلتک به رهبری آتواتر، سیستمی را برای مطالعه مواد بسیار نازکی که برای ساخت بادبان‌های نوری استفاده می‌شوند، ایجاد کرده‌اند. بادبان نوری مینیاتوری آنها که از نیترید سیلیکون با ضخامت تنها 50 نانومتر ساخته شده، برای اندازه‌گیری نیروی واردشده توسط لیزرها طراحی شده است. این شامل اندازه‌گیری حرکات بسیار ظریف بادبان هنگام برخورد پرتو لیزر است.
این آزمایش‌ها گامی مهم در انتقال توسعه بادبان نوری از تئوری و طراحی به آزمایش عملی و تجزیه و تحلیل مواد است.
آتواتر گفت:
چالش‌های متعددی در توسعه غشایی وجود دارد که در نهایت می‌تواند به عنوان بادبان نوری استفاده شود. باید در برابر گرما مقاومت کند، شکل خود را تحت فشار حفظ کرده و به طور پایدار در امتداد محور پرتو لیزر حرکت کند.
آتواتر افزود:
اما قبل از اینکه بتوانیم ساخت چنین بادبانی را آغاز کنیم، باید بفهمیم که مواد چگونه به فشار تشعشعی لیزرها پاسخ می‌دهند. ما می‌خواستیم بدانیم که آیا می‌توانیم نیروی واردشده بر یک غشاء را فقط با اندازه‌گیری حرکات آن تعیین کنیم یا خیر. معلوم شد که می‌توانیم!
برای شروع تحقیقات خود، این تیم یک بادبان نوری کوچک و مهار شده را در یک غشای بزرگتر ساخت. سپس آنها یک لیزر آرگون مرئی را روی آن تاباندند تا فشار تشعشعی را با مشاهده حرکت بالا و پایین ترامپولین اندازه‌گیری کنند.
مهار کردن یک بادبان نوری، داینامیک آن را پیچیده می‌کند. بادبان هنگام برخورد نور مانند یک ترامپولین می‌لرزد. این لرزش‌ها عمدتاً توسط گرمای لیزر ایجاد می‌شوند و جدا کردن اثر فشار تشعشعی را دشوار می‌کنند.
پاسخ بادبان به لیزر
یک نوآوری کلیدی در این آزمایش، استفاده از یک تداخل‌سنج مسیر مشترک است. این ابزار پیچیده به دانشمندان اجازه می‌دهد تا حرکات بسیار کوچک بادبان (تا سطح پیکومتر) را در حالی‌که نویز محیطی را به حداقل می‌رسانند، اندازه‌گیری کنند.
آنها یک تداخل‌سنج بسیار حساس را در میکروسکوپ خود قرار دادند و دستگاه را در یک محفظه خلاء قرار دادند. این امر به آنها اجازه داد تا حرکات بسیار کوچک یک بادبان مینیاتوری و همچنین سختی بادبان را هنگام فشار لیزر اندازه‌گیری کنند.
این تیم همچنین پاسخ بادبان به لیزرها را در زوایای مختلف آزمایش کرد و شرایطی را که یک بادبان نوری واقعی در فضا با آن روبرو می‌شود، شبیه‌سازی کرد. این کار سناریویی را شبیه‌سازی کرد که در آن بادبان کاملاً با منبع لیزر همتراز نبود.
آنها متوجه شدند که نیروی وارد شده بر بادبان کمتر از حد پیش‌بینی شده است، زمانی‌که لیزر به صورت زاویه‌دار هدایت می‌شد. محققان بر این باورند که دلیل آن این است که بخشی از پرتو زاویه‌دار به لبه بادبان برخورد می‌کند و مقداری از نور را پراکنده می‌کند و نیروی رو به جلو را کاهش می‌دهد.
این تیم قصد دارد از نانوساینس و فرامواد برای کنترل حرکت و چرخش جانبی یک بادبان نوری مینیاتوری استفاده کند.
رامون گائو، یکی از اعضای تیم تحقیق، در بیانیه مطبوعاتی گفت:
این یک قدم مهم به سوی مشاهده نیروها و گشتاورهای نوری است که به یک بادبان نوری با شتاب آزاد اجازه می‌دهد روی پرتو لیزر حرکت کند.
این یافته‌ها در مجله Nature Photonics منتشر شده است.
منبع: Interestingengineering
