Laserové plachty pro vesmírné lodě: Nová éra pohonu bez paliva

Vědci vyvíjejí revoluční světelné plachty poháněné lasery, které by mohly umožnit rychlé meziplanetární cestování bez nutnosti nést palivo. Klíčem jsou fotonické krystaly s unikátními optickými vlastnostmi.

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.