Caltech führt die Bemühungen zur Entwicklung von Lichtsegeltechnologie an, die es Raumfahrzeugen ermöglichen soll, schneller als alle bisherigen Missionen zu reisen und möglicherweise neue Grenzen in der interstellaren Erkundung zu öffnen. Harry Atwater, Vorsitzender der Division für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften von Caltech, betont, dass diese Technologie die direkte Erforschung entfernter kosmischer Regionen ermöglichen könnte, die zuvor nur durch Fernbeobachtungen zugänglich waren.
Atwater und sein Team haben eine Testplattform entwickelt, um ultradünne Membranen zu analysieren, die als Lichtsegel dienen könnten. Diese Plattform misst die Kraft, die von Lasern auf diese Segel ausgeübt wird, und markiert einen entscheidenden Schritt vom theoretischen Design zur praktischen Anwendung in der Raumfahrt. Die Forscher stehen vor Herausforderungen bei der Entwicklung einer Membran, die Hitze standhalten, ihre Form unter Druck behalten und die Stabilität entlang der Achse eines Laserstrahls aufrechterhalten kann.
Das Team konstruierte ein miniaturisiertes Lichtsegel, das in einer größeren Membran verankert ist, um die Antriebskräfte in einer kontrollierten Umgebung zu untersuchen. Durch den Einsatz fortschrittlicher Techniken haben sie eine 50 Nanometer dicke Membran aus Siliziumnitrid gemustert, die wie ein mikroskopisches Trampolin aussieht. Durch die Anwendung von Argonlaserlicht haben sie den Strahlungsdruck gemessen, dem das Mini-Lichtsegel ausgesetzt war, und seine Bewegungen beobachtet.
Co-Hauptautor Lior Michaeli weist auf die Komplexität hin, die durch das Ankern des Segels eingeführt wird, das sich wie ein mechanischer Resonator verhält. Die Forscher haben die Herausforderung der durch Wärme induzierten Vibrationen in einen Vorteil umgewandelt, was ihnen ermöglicht, eine Methode zur genauen Messung der Lichtkraft zu entwickeln.
Ein Common-Path-Interferometer wurde in ihr Experiment integriert, um eine präzise Erkennung der Bewegung des Segels zu ermöglichen. Diese Innovation stellt sicher, dass Umgebungsgeräusche die Messungen nicht stören, was zu der Fähigkeit führt, Bewegungen bis zu Pikometern zu messen.
Die zukünftige Forschung zielt darauf ab, Nanowissenschaft und Metamaterialien zu nutzen, um die Bewegung und Rotation von Lichtsegeln im Weltraum zu steuern, mit dem Ziel, Segel zu schaffen, die autonom zu ihrem vorgesehenen Pfad zurückkehren können, wenn sie verschoben werden.
Diese Forschung, die in dem Artikel „Direkte Strahlungsdruckmessungen für Lichtsegelmembranen“ veröffentlicht wurde, stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Weg zu interstellarer Reise dar.