Hoe ontwerp je een zeil dat niet scheurt of smelt tijdens een interstellaire reis?

Astronomen wachten al tientallen jaren op de lancering van de James Webb Space Telescope, die belooft verder de ruimte in te kijken dan ooit tevoren. Maar als mensen onze dichtstbijzijnde stellaire buur willen bereiken, zullen ze behoorlijk wat langer moeten wachten: een sonde die met een raket naar Alpha Centauri wordt gestuurd, zou ongeveer 80.000 jaar nodig hebben om de reis te maken.

Igor Bargatin, universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica, probeert dit futuristische probleem op te lossen met ideeën uit een van de oudste transporttechnologieën van de mensheid: het zeil.

Als onderdeel van het Breakthrough Starshot Initiative ontwerpen hij en zijn collega’s de maat, vorm en materialen voor een zeil dat niet door wind, maar door licht wordt voortgeduwd.

Met behulp van nanoscopisch dunne materialen en een reeks krachtige lasers, zou zo’n zeil een sonde ter grootte van een microchip kunnen vervoeren met een vijfde van de lichtsnelheid, snel genoeg om de reis naar Alpha Centauri in ongeveer 20 jaar te maken, in plaats van millennia.

“Om binnen ons leven een andere ster te bereiken, is relativistische snelheid nodig, of iets dat de lichtsnelheid benadert”, zegt Bargatin. “Het idee van een lichtzeil bestaat al een tijdje, maar we zijn nu pas aan het uitzoeken hoe we ervoor kunnen zorgen dat die ontwerpen de reis overleven.”

Veel van het eerdere onderzoek in het veld ging ervan uit dat de zon passief alle energie zou leveren die lichte zeilen nodig hebben om in beweging te komen. Het plan van Starshot om zijn zeilen op relativistische snelheden te krijgen, vereist echter een veel meer gerichte energiebron. Als het zeil eenmaal in een baan om de aarde is, zou een enorme reeks lasers op de grond hun stralen erop trainen, waardoor een lichtintensiteit wordt verkregen die miljoenen keren groter is dan die van de zon.

Aangezien het doel van de lasers een drie meter brede structuur zou zijn die duizend keer dunner is dan een vel papier, is het een grote ontwerpuitdaging om uit te zoeken hoe het zeil kan scheuren of smelten.

Bargatin, Deep Jariwala, assistent-professor bij de afdeling Electrical and Systems Engineering, en Aaswath Raman, assistent-professor bij de afdeling Materials Science and Engineering aan de UCLA Samueli School of Engineering, hebben nu een paar artikelen gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters die enkele van die fundamentele specificaties schetsen.

Een artikel, geleid door Bargatin, toont aan dat de lichtzeilen van Starshot – waarvan wordt aangenomen dat ze zijn opgebouwd uit ultradunne platen aluminiumoxide en molybdeendisulfide – als een parachute moeten opzwellen in plaats van plat te blijven, zoals veel van het vorige onderzoek veronderstelde.

“De intuïtie hier is dat een zeer strak zeil, of het nu op een zeilboot of in de ruimte is, veel vatbaarder is voor scheuren”, zegt Bargatin. “Het is een relatief eenvoudig concept om te begrijpen, maar we moesten een aantal zeer complexe wiskunde doen om te laten zien hoe deze materialen zich op deze schaal zouden gedragen.”

In plaats van een plat zeil, suggereren Bargatin en zijn collega’s dat een gebogen structuur, ongeveer even diep als breed, het best bestand zou zijn tegen de spanning van de hyperversnelling van het zeil, een trekkracht die duizenden keren groter is dan die van de zwaartekracht van de aarde.

“Laserfotonen zullen het zeil vullen zoals lucht een strandbal opblaast”, zegt Matthew Campbell, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Bargatin en hoofdauteur van het eerste artikel. “En we weten dat lichtgewicht containers onder druk bolvormig of cilindrisch moeten zijn om scheuren en scheuren te voorkomen. Denk aan propaantanks of zelfs brandstoftanks op raketten.”

Het andere artikel, geleid door Raman, geeft inzicht in hoe patronen op nanoschaal in het zeil het meest efficiënt de warmte kunnen afvoeren die gepaard gaat met een laserstraal die een miljoen keer krachtiger is dan de zon.

“Als de zeilen zelfs maar een klein deel van het invallende laserlicht absorberen, zullen ze tot zeer hoge temperaturen opwarmen”, legt Raman uit. “Om ervoor te zorgen dat ze niet alleen uiteenvallen, moeten we hun vermogen om hun warmte weg te stralen maximaliseren, wat de enige manier van warmteoverdracht is die in de ruimte beschikbaar is.”

Eerder lichtzeilonderzoek toonde aan dat het gebruik van een fotonisch kristalontwerp, dat in wezen de “stof” van het zeil bezaait met gaten op regelmatige afstanden, de thermische straling van de structuur zou maximaliseren. Het nieuwe artikel van de onderzoekers voegt nog een laag periodiciteit toe: stalen van zeilstof die in een raster aan elkaar zijn vastgemaakt.

Met de afstand van de gaten die overeenkomen met de golflengte van het licht en de afstand van de stalen die overeenkomen met de golflengte van thermische emissie, kan het zeil een nog krachtigere initiële duw weerstaan, waardoor de tijd die de lasers nodig hebben om op hun doel te blijven, wordt verminderd.

“Een paar jaar geleden werd zelfs denken of theoretisch werken aan dit soort concepten als vergezocht beschouwd”, zegt Jariwala. “Nu hebben we niet alleen een ontwerp, maar het ontwerp is gebaseerd op echte materialen die beschikbaar zijn in onze laboratoria. Ons plan voor de toekomst zou zijn om dergelijke structuren op kleine schaal te maken en ze te testen met krachtige lasers.”

Pawan Kumar, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Jariwala, evenals John Brewer en Sachin Kulkarni, leden van het laboratorium van Raman aan de UCLA Samueli, hebben bijgedragen aan dit onderzoek.