Uus nanofootonmaterjal võib aidata kosmosesondidel jõuda valguse kiirusele

Kui inimkond soovib saata kaugele kosmosesse tillukesi sonde, peavad nende sondide purjede projekteerijad saavutama massi, tugevuse ja peegeldamisvõime äärmiselt täpse tasakaalu. Nüüd ongi insenerid leiutanud nanomaterjali, mis võib vajalikele tingimustele vastata ja aidata kosmosesondidel läheneda valguse kiirusele, vahendab ScienceAlert.

California tehnikainstituudi inseneride välja mõeldud uus materjal koosneb ränist ja selle oksiidist — kvartsist. Töörühm on välja kalkuleerinud, et neist kahest materjalist valmistatud üliõhukesed struktuurid peaksid suutma muundada infrapunase valguse laineid impulsiks, mis võiks sondi kiirendada kiiruseni u 60 000 kilomeetrit sekundis.

See võrdub koguni 20 protsendiga valguse kiirusest, mis kannaks väiksemat mõõtu sondi meie lähima naabertäheni — õigemini tähtede kobarani — nimetusega Kentauri Proksima (Proxima Centauri) vaid mõnekümne, mitte mitme tuhande aastaga.

Tahame uurida, aga võimalust pole

Inimese loomuses on alati millegi poole püüelda ja seda puudutada. Ehkki me teame kaugetest tähtedest üsna palju tänu valgusele, mida need välja kiirgavad, jääb meid kannustama soov minna üha lähemale ja näha aina paremini. Ei ole tõenäoline, et lähemas tulevikus läkitatakse inimesi mõnda tähesüsteemi. Küll aga võib meie teadus juba olla nii arenenud, et väikeste tehnikaseadmete kiirendamine kiirusteni, mis on vajalikud äärmiselt suurte vahemaade ületamiseks suhteliselt lühikese aja jooksul, on üsna varsti võimalik.

Erinevalt kopsakatest õhumolekulidest pole valguskvantidel e footonitel seisumassi, mis tähendab, et valgus ei „puhu“ samamoodi nagu tuul. Maxwelli elektromagnetilise kiirguse võrrandid kinnitavad aga, et lendavatel footonitel on siiski võimalik avaldada ainele survet. Valguspurje tööpõhimõte nõuab sellise laseri rakendamist, mis tulistab koherentse infrapuna-valguse lainepikkusega footonite voo läbi kosmose transporditava objekti külge kinnitatud „valgusvõrgu“ ehk „purje“ pihta.

Ka väga väikeste objektide sel moel transportimine nõuaks väga suure purje kasutamist, mis omakorda tähendab täiendava massi lisamist. Niisiis peab puri olema võimalikult kerge, mis teeb selle aga kergestipurunevaks. Peale selle tuleb arvestada kõrge temperatuuri mõjudega. Footonid peavad valgust koguva võrgu koostismolekulidega kokku põrkama, mis paneb need lisaenergia toel kiiremini võnkuma.

See tähendab, et täiuslik materjal peaks taluma kõrget kuumust, paisates seda kiiresti kiirguse kujul endast eemale. Suurem osa materjalidest, mille kasutamist valguspurjena kaalutud on, ei saa piisavalt hästi hakkama valguse neelamise või kiirgamisega, on liiga rasked või liiga haprad. Nanomaterjalid võimaldavad inseneridel muuta seda, kuidas valgus neeldub või kiirgub, ja selle kaudu peenhäälestada purje nii, et see koguks üle kuumenemata piisavalt palju valgust, mida kiiruseks muuta.

Kas räni ja kvarts ongi vastuseks ulatuslike kosmosereiside õnnestumiseks?

Ränist ja ränidioksiidist — ehk kvartsist — üliõhuke kiht võib olla just see, mida vaja. Nimelt on ränil täpselt õige murdumisnäitaja e refraktsiooniindeks (suurus, mis näitab, mitu korda erineb kiirguse faasikiirus keskkonnas kiirguse kiirusest vaakumis ja mis mõjutab nii valgus neeldumist kui ka tagasikiirgamist). See annab valguspurjele jõu, mida on vaja kiiruse kogumiseks. Küll aga ei kiirga räni eriti hästi soojust, mis teeb selle ajapikku purunemisaltiks.

Kvartsi murdumisnäitaja on märksa ebasobivam, kuid samas teisendab kvarts soojusenergiat kiirguseks oluliselt tõhusamalt kui räni üksinda, mistõttu sobiks kvarts paremini jahutusmaterjaliks. Seda, kas kvartsi ja räni nano-komposiitmaterjal ka tegelikult optimaalselt valguspurjena toimib, tuleb veel katseliselt kontrollida.

Nanomaterjali loojate uurimisrühm on aga välja pakkunud uue standardi — peegelduvuskohandatud pindalatiheduse (ingl RAAD; reflectivity adjusted area density) —, milles potentsiaalse valguspurje tõhusust väljendatakse selle peegelduvuse ja nimikoormuse (ingl payload mass) suhtena. Selle mõõdiku abil on võimalik võrrelda eri materjalide peegelduvuse määrasid ja saada täpsem ettekujutus nende potentsiaalsetest kiirustest.

Seda, kas räni ja kvartsi segu toimib nii, nagu loodetakse, näitab aeg. Isegi kui uus nanomaterjal sobib valguspurjede kudumiseks, nõuab masinate läkitamine teistesse tähesüsteemidesse veel hulga takistuste ületamist. Kosmosesondil, mille Jaapani riiklik kosmoseagentuur JAXA 2010. aasta mais laotusesse lennutas, olid imiidpolümeerist päikesepurjed. Too sond saavutas muljetavaldava kiiruse u 400 meetrit sekundis, millest oleks piisanud sama aasta detsembriks Veenusele jõudmiseks, kuid kaugeltki mitte tähtedevahelisteks lendudeks.

Jaapanlaste eksperiment näitab siiski, et praktilise valguspurjetamisega on vähemalt algust tehtud. Kui uurimispingutusi samas suunas jätkatakse, pole välistatud, et takistused tulevikus ületatakse ja inimkonna mehitamata saadikud tõepoolest tähtedeni jõuavad.