Laserové plachty pro vesmírné lodě: Nová éra pohonu bez paliva

Nová éra pohonu bez paliva: Laserové plachty pro vesmírné lodě

Většina vesmírných misí se spoléhá na chemické rakety pro pohon. Rakety musí nést palivo, což zvyšuje hmotnost kosmické lodi a omezuje jejich rychlost a dolet. Výzkumníci po desetiletí zkoumají světelné plachty jako alternativu. Tato zařízení využívají tlak záření – sílu působící při odrazu světla od povrchu – k vytváření tahu. Když je světelná plachta poháněna výkonným laserem, může se plynule zrychlovat bez paliva na palubě, což umožňuje rychlejší cestování po sluneční soustavě.

Konvenční světelné plachty obvykle používají polymerové fólie potažené kovem. Ačkoli tyto fólie odrážejí světlo účinně, absorbují také část příchozí energie a přeměňují ji na teplo. Zlepšení odrazivosti často vyžaduje přidání materiálu, což zvyšuje hmotnost a snižuje účinnost pohonu. Tento kompromis zpomalil vývoj praktických systémů světelných plachet.

Nová architektura plachty z fotonických krystalů

Ve vědeckém časopise Journal of Nanophotonics výzkumníci informovali o vývoji světelné plachty z fotonických krystalů navržené tak, aby tyto nedostatky řešila. Navrhovaná struktura se skládá z nanočásticového vzoru tvořeného třemi dielektrickými komponentami: germaniumové sloupky, vzduchové otvory a polymerová matrice.

Na rozdíl od konvenčních dvou materiálových fotonických struktur, navrhovaná architektura integruje tři dielektrické oblasti – nanopilíře s vysokým indexem lomu z germania, dutiny s nízkým indexem lomu a polymerový nosný materiál – tvořící selektivní fotonický zakázaný pás pro vlnovou délku, optimalizovaný pro odrazivost specifickou pro pohon.

Světelná plachta z fotonických krystalů (PCLS) se skládá ze tří oblastí s odlišnými indexy lomu. Hnědá oblast představuje polymer s nízkou dielektrickou konstantou, tmavší pilíře jsou materiály s vysokou dielektrickou konstantou a prázdné kruhy označují vzduchové otvory. Zdroj: Journal of Nanophotonics (2025). DOI: 10.1117/1.jnp.19.046008

Tato konfigurace vytváří úzký fotonický zakázaný pás soustředěný na vlnové délce pohonu, což vede k vysoké odrazivosti v tomto spektrálním okně, zatímco mimo navržený pás zůstává převážně průhledná.

Fotonické krystaly jsou kompozitní materiály s opakujícími se nanočásticovými vzory, které řídí šíření světla. Uspořádáním materiálů s různými indexy lomu mohou výzkumníci vytvořit fotonický zakázaný pás – rozsah vlnových délek, které nemohou projít strukturou a jsou místo toho odraženy. V tomto návrhu výzkumníci naladili zakázaný pás tak, aby odpovídal vlnové délce pohonného laseru.

„Navržením úzkého fotonického zakázaného pásu sladěného s frekvencí pohonného laseru může navrhovaná plachta zůstat převážně průhledná pro okolní sluneční záření a zároveň si zachovat vysokou odrazivost ve specifickém provozním pásmu,“ uvedl Dimitar Dimitrov, docent na Tuskegee University.

Nástroje pro návrh a přístup k výrobě

Výzkumníci navrhli strukturu fotonického krystalu pomocí simulací metodou expanze rovinných vln a metodou konečných diferencí v časové oblasti. Konečný návrh dosahuje přibližně 90% odrazivosti při vlnové délce 1,2 mikrometru. Tým poté vyrobil membrány pro ověření konceptu pomocí elektronové litografie a vakuového napařování.

Membrány byly vyrobeny pomocí sekvenčního procesu nanolitografie a plnění materiálem, který zahrnoval vzorování polymerových šablon, selektivní ukládání germania, proces odlepování a sekundární elektronovou litografii. Tato víceúrovňová strategie umožnila přesnou realizaci třídielektrických architektur fotonických krystalů v měřítku pod 200 nanometrů.

Vyrobené struktury obsahují germaniumové pilíře o šířce přibližně 100 nanometrů a vzduchové otvory o průměru zhruba 400 nanometrů, zapuštěné v 200 nanometrů silné polymerové vrstvě. Elektronová mikroskopie potvrdila přesnost nanočásticového vzorování.

„Klíčovým přínosem této práce je prokázání proveditelnosti konstrukce více dielektrických struktur fotonických krystalů s řízenými nanočásticovými prvky. Výsledky ukazují, že je lze navrhnout tak, aby kombinovaly nízkou hmotnost, silnou selektivitu vlnové délky a potenciál pro škálovatelnou výrobu,“ uvedl Dimitrov.

Výkon pohonu a budoucí potenciál

Pro hodnocení výkonu pohonu výzkumníci modelovali plachtu o rozloze jeden metr čtvereční osvětlenou laserem o výkonu 100 kW. Simulace naznačují, že předpokládaná odrazivost by mohla generovat nepřetržitý tah, což by za idealizovaných podmínek mohlo zrychlit plachtu na rychlosti několika stovek metrů za sekundu během jedné hodiny. Ačkoli tato úroveň výkonu není dostatečná pro mezihvězdné mise, mohla by podporovat lehké sondy pro meziplanetární průzkum.

Ačkoli výzkumníci musí před nasazením světelných plachet z fotonických krystalů do operačních misí provést další práci, studie demonstruje možnou cestu od teoretického návrhu k výrobě. „Navzdory současným omezením by náš výzkum mohl sloužit jako základ pro návrh a výrobu více dielektrických plachet z fotonických krystalů. Může poskytnout cestu k experimentálně ověřeným, škálovatelným, lehkým zařízením pro pohon laserem, umožňujícím budoucí meziplanetární průzkum s minimální hmotností na palubě,“ uvedl Dimitrov.

Dimitar Dimitrov et al, Design and manufacture of a photonic crystal light sail, Journal of Nanophotonics (2025). DOI: 10.1117/1.jnp.19.046008

Optika a lasery, Nanostruktury, Optické materiály a prvky

Citace: Toward practical laser-driven light sails using photonic crystals (2026, 5. března) získáno 5. března 2026 z https://phys.org/news/2026-03-laser-driven-photonic-crystals.html

Tento dokument podléhá autorským právům. Kromě jakéhokoli spravedlivého použití pro účely soukromého studia nebo výzkumu, žádná část nesmí být reprodukována bez písemného souhlasu. Obsah je poskytován pouze pro informační účely.