Большинство космических аппаратов до сих пор используют химическое топливо. Оно тяжелое, дорогое и ограничивает дальность полетов. Альтернатива — световые паруса, которые движутся за счет давления фотонов. Если направить на такой парус мощный лазер, отраженные фотоны создают тягу, разгоняя аппарат до огромных скоростей. Именно эта идея лежит в основе проекта Breakthrough Starshot, цель которого — отправить микрозонды к звездам.
Но есть проблема. Традиционные паруса делают из тонких пластиковых пленок с алюминиевым покрытием. Они неплохо отражают свет, но часть его поглощают, превращая в тепло. В сочетании с мегаваттным лазером это приводит к перегреву и разрушению паруса. Можно добавить больше отражающего материала, но это увеличит вес и сведет на нет преимущества легкой конструкции.
Команда из Университета Таскиги в Алабаме предложила другое решение: заменить металлическое покрытие на фотонные кристаллы — наноструктурированные материалы, которые управляют движением света. Разработанный ими парус состоит из трех компонентов: германиевых столбиков с высоким показателем преломления, воздушных отверстий с низким показателем и полимерной матрицы. Размер структуры — от 100 до 400 нанометров, то есть в тысячу раз тоньше человеческого волоса.
Такая структура создает так называемую фотонную запрещенную зону. Это аналог того, как полупроводники блокируют определенные энергии электронов, только здесь блокируются определенные длины волн света. В результате лазерное излучение на нужной длине волны (1,2 микрометра) отражается почти идеально, а свет от других источников (например, Солнца) проходит сквозь парус, не нагревая его.
В испытаниях образец площадью один квадратный метр продемонстрировал коэффициент отражения около 90 процентов при облучении 100-киловаттным лазером. Этого достаточно, чтобы разогнать аппарат до сотен метров в секунду за час. До межзвездных скоростей пока далеко, но принцип доказан.
«Благодаря созданию узкой фотонной запрещенной зоны, выровненной по частоте лазера, парус остается прозрачным для окружающего солнечного излучения, сохраняя высокую отражательную способность в рабочем диапазоне», — объясняет Димитар Димитров, доцент Университета Таскиги.
Исследование опубликовано в Journal of Nanophotonics. Главный вывод: многодиэлектрические фотонные кристаллы можно проектировать с нужными свойствами, сочетая малую массу, селективность по длине волны и потенциальную масштабируемость производства. Для Breakthrough Starshot и подобных проектов это именно то, что нужно.
