A Relativistic LightSail That Won’t Tear or Melt on an Interstellar Voyage

खगोलविद दशकों से के प्रक्षेपण का इंतजार कर रहे हैं[{” attribute=””>James Webb Space Telescope, which promises to peer farther into space than ever before. But if humans want to actually reach our nearest stellar neighbor, they will need to wait quite a bit longer: a probe sent to Alpha Centauri with a rocket would need roughly 80,000 years to make the trip.

Igor Bargatin, Associate Professor in the Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics, is trying to solve this futuristic problem with ideas taken from one of humanity’s oldest transportation technologies: the sail.

As part of the Breakthrough Starshot Initiative, he and his colleagues are designing the size, shape, and materials for a sail pushed not by wind, but by light.

Using nanoscopically thin materials and an array of powerful lasers, such a sail could carry a microchip-sized probe at a fifth of the speed of light, fast enough to make the trip to Alpha Centauri in roughly 20 years, rather than millennia.

“Reaching another star within our lifetimes is going to require relativistic speed, or something approaching the speed of light,” Bargatin says. “The idea of a light sail has been around for some time, but we’re just now figuring out how to make sure those designs survive the trip.”

Much of the earlier research in the field has presumed that the sun would passively provide all of the energy that light sails would need to get moving. However, Starshot’s plan to get its sails to relativistic speeds requires a much more focused source of energy. Once the sail is in orbit, a massive array of ground-based lasers would train their beams on it, providing a light intensity millions of times greater than the sun’s.

Given that the lasers’ target would be a three-meter-wide structure a thousand times thinner than a sheet of paper, figuring out how to prevent the sail from tearing or melting is a major design challenge.

Bargatin, Deep Jariwala, Assistant Professor in the Department of Electrical and Systems Engineering, and Aaswath Raman, Assistant Professor in the Department of Materials Science and Engineering at the UCLA Samueli School of Engineering, have now published a pair of papers in the journal Nano Letters that outline some of those fundamental specifications.

One paper,^[1] बार्गेटिन के नेतृत्व में, यह दर्शाता है कि स्टारशॉट की हल्की पाल - एल्यूमीनियम ऑक्साइड और मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड की अल्ट्राथिन शीट से निर्मित होने का प्रस्ताव है - को सपाट रहने के बजाय पैराशूट की तरह बिल करने की आवश्यकता होगी, जैसा कि पिछले शोध में माना गया था।

“यहाँ अंतर्ज्ञान यह है कि एक बहुत तंग पाल, चाहे वह एक सेलबोट पर हो या अंतरिक्ष में, आँसू के लिए बहुत अधिक प्रवण होता है,” बार्गेटिन कहते हैं। “यह समझने के लिए अपेक्षाकृत आसान अवधारणा है, लेकिन हमें वास्तव में यह दिखाने के लिए कुछ जटिल गणित करने की ज़रूरत है कि ये सामग्री इस पैमाने पर कैसे व्यवहार करेगी।”

एक सपाट चादर के बजाय, बार्गेटिन और उनके सहयोगियों का सुझाव है कि एक घुमावदार संरचना, लगभग जितनी गहरी है, उतनी ही वह पाल के अति-त्वरण के तनाव का सामना करने में सक्षम होगी, जो पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से हजारों गुना अधिक है।

बरगेटिन के समूह में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता मैथ्यू कैंपबेल और पहले पेपर के प्रमुख लेखक मैथ्यू कैंपबेल कहते हैं, “लेजर फोटॉन पाल को बहुत ज्यादा भर देंगे जैसे हवा एक समुद्र तट की गेंद को फुलाती है।” “और हम जानते हैं कि आंसू और दरार से बचने के लिए हल्के, दबाव वाले कंटेनर गोलाकार या बेलनाकार होने चाहिए। प्रोपेन टैंक या रॉकेट पर ईंधन टैंक के बारे में भी सोचें।”

दूसरा कागज,^[2] रमन के नेतृत्व में, यह अंतर्दृष्टि प्रदान करता है कि कैसे पाल के भीतर नैनोस्केल पैटर्निंग सबसे अधिक कुशलता से उस गर्मी को नष्ट कर सकती है जो एक लेजर बीम के साथ सूर्य की तुलना में एक लाख गुना अधिक शक्तिशाली होती है।

“अगर पाल घटना के एक छोटे से अंश को भी अवशोषित कर लेते हैं, तो वे बहुत अधिक तापमान तक गर्म हो जाएंगे,” रमन ने समझाया। “यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे केवल विघटित नहीं होते हैं, हमें उनकी गर्मी को दूर करने की क्षमता को अधिकतम करने की आवश्यकता है, जो अंतरिक्ष में उपलब्ध गर्मी हस्तांतरण का एकमात्र तरीका है।”

पहले प्रकाश-पाल अनुसंधान से पता चला था कि एक फोटोनिक क्रिस्टल डिज़ाइन का उपयोग करना, अनिवार्य रूप से नियमित रूप से दूरी वाले छिद्रों के साथ पाल के “कपड़े” को जोड़ना, संरचना के थर्मल विकिरण को अधिकतम करेगा। शोधकर्ताओं का नया पेपर आवधिकता की एक और परत जोड़ता है: सेल कपड़े के नमूने एक ग्रिड में एक साथ धराशायी हो जाते हैं।

प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से मेल खाने वाले छिद्रों की दूरी और थर्मल उत्सर्जन की तरंगदैर्ध्य से मेल खाने वाले नमूने की दूरी के साथ, सेल एक और भी अधिक शक्तिशाली प्रारंभिक धक्का का सामना कर सकता है, जिससे लेजर को अपने लक्ष्य पर रहने की आवश्यकता कम हो जाती है।

जरीवाला कहते हैं, ”कुछ साल पहले इस तरह की अवधारणा पर सोचना या सैद्धांतिक काम करना भी दूर की कौड़ी माना जाता था. “अब, हमारे पास न केवल एक डिज़ाइन है, बल्कि डिज़ाइन हमारी प्रयोगशालाओं में उपलब्ध वास्तविक सामग्रियों पर आधारित है। भविष्य के लिए हमारी योजना छोटे पैमाने पर ऐसी संरचनाएं बनाने और उच्च शक्ति वाले लेजर के साथ उनका परीक्षण करने की होगी।”

सन्दर्भ:

मैथ्यू एफ कैंपबेल, जॉन ब्रेवर, दीप जरीवाला, आसवथ पी। रमन और इगोर बरगटिन द्वारा “रिलेटिविस्टिक लाइट सेल्स बिलो की आवश्यकता है”, 23 दिसंबर 2021, नैनो पत्र.
डीओआई: 10.1021/acs.nanolet.1c03272

जॉन ब्रेवर, मैथ्यू एफ कैंपबेल, पवन कुमार, सचिन कुलकर्णी, दीप जरीवाला, इगोर बरगटिन और आसवथ पी। रमन द्वारा “मल्टीस्केल फोटोनिक एमिसिटी इंजीनियरिंग फॉर रिलेटिविस्टिक लाइटसेल थर्मल रेगुलेशन” 11 जनवरी 2022, नैनो पत्र.
डीओआई: 10.1021/acs.nanolet.1c03273

जरीवाला की प्रयोगशाला में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता पवन कुमार, साथ ही यूसीएलए सैमुअली में रमन की प्रयोगशाला के सदस्य जॉन ब्रेवर और सचिन कुलकर्णी ने इस शोध में योगदान दिया।

ब्रेकथ्रू स्टारशॉट, ब्रेकथ्रू इनिशिएटिव्स का हिस्सा है, जो ब्रह्मांड में जीवन के मूलभूत प्रश्नों की जांच करने वाले अंतरिक्ष विज्ञान कार्यक्रमों का एक समूह है। इन परोपकारी पहलों को यूरी मिलनर और उनकी पत्नी जूलिया द्वारा स्थापित ब्रेकथ्रू फाउंडेशन द्वारा वित्त पोषित किया जाता है।