Yıldızlararası ışık yelkenlerinin geliştirilmesine yönelik ilk adımlar atıldı!

Ultra ince yelkenlerle itilen uzay aracını kullanarak yıldızlararası uzayda seyahat etme fikri bilimkurgu romanlarının konusu gibi gelebilir. Ancak aslında, 2016'da Stephen Hawking ve Yuri Milner tarafından başlatılan ve Breakthrough Starshot Girişimi olarak bilinen bir program bu fikri araştırıyor. Konsept, ultra hızlı hızlara ve sonunda en yakın yıldız sistemimiz olan Alpha Centauri'ye ulaşmak için "ışık yelkenlerine" bağlı minyatür uzay sondalarını itmek için lazerler kullanmaktır.

Caltech, bu cüretkar hedefe ulaşmak için çalışan dünya çapındaki topluluğa öncülük ediyor.Caltech Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Bölümü Otis Booth Liderlik Kürsüsü Başkanı ve Uygulamalı Fizik ve Malzeme Bilimi Howard Hughes Profesörü Harry Atwater, " Işık yelkeni , daha önceki tüm uzay araçlarından daha hızlı seyahat edecek ve sonunda, şu anda yalnızca uzaktan gözlemle erişilebilen doğrudan uzay aracı keşiflerine olanak sağlayacak yıldızlararası mesafeleri açma potansiyeline sahip olacak" şeklinde açıklıyor.

Şimdi, Atwater ve Caltech'teki meslektaşları, bir gün bu ışık yelkenlerini yapmak için kullanılabilecek ultra ince zarları karakterize etmek için bir platform geliştirdiler. Test platformları, lazerlerin yelkenlere uyguladığı kuvveti ölçmenin bir yolunu içeriyor ve bu, uzay aracını uzayda fırlatmak için kullanılacak. Ekibin deneyleri, ışık yelkenlerinin teorik tekliflerinden ve tasarımlarından, temel kavramların ve potansiyel malzemelerin gerçek gözlemlerine ve ölçümlerine geçişin ilk adımını oluşturuyor."Sonuçta ışık yelkeni olarak kullanılabilecek bir membran geliştirmenin sayısız zorluğu var. Isıya dayanıklı olması, basınç altında şeklini koruması ve lazer ışınının ekseni boyunca sabit bir şekilde ilerlemesi gerekiyor," diyor Atwater. "Ancak böyle bir yelken inşa etmeye başlamadan önce, malzemelerin lazerlerden gelen radyasyon basıncına nasıl tepki verdiğini anlamamız gerekiyor. Bir membranın hareketlerini ölçerek üzerine uygulanan kuvveti belirleyip belirleyemeyeceğimizi bilmek istedik. Anlaşılan yapabiliyoruz."

Amaç, serbestçe hareket eden bir ışık yelkeninin davranışını karakterize etmektir. Ancak laboratuvarda malzemeleri ve itici kuvvetleri incelemeye başlamak için ilk adım olarak ekip, köşelerden daha büyük bir zarın içine bağlanmış minyatür bir ışık yelkeni yarattı.Araştırmacılar, Caltech'teki Kavli Nanobilim Enstitüsü'ndeki ekipmanları ve elektron ışını litografisi adı verilen bir tekniği kullanarak , sadece 50 nanometre kalınlığında bir silisyum nitrür zarını dikkatlice desenlendirdiler ve mikroskobik bir tramboline benzeyen bir şey yarattılar.Sadece 40 mikron genişliğinde ve 40 mikron uzunluğunda bir kare olan mini trambolin, köşelerden silikon nitrür yaylarla asılı duruyor. Daha sonra ekip, görünür dalga boyunda argon lazer ışığıyla membrana vurdu. Amaç, trambolinin yukarı ve aşağı hareket ederken hareketlerini ölçerek minyatür ışık yelkeninin deneyimlediği radyasyon basıncını ölçmekti.Ancak yelken bağlandığında fiziksel açıdan tablo değişiyor, diyor yardımcı yazar Michaeli: "Bu durumda dinamikler oldukça karmaşık hale geliyor."

Yelken, ışık çarptığında trambolin gibi titreşen mekanik bir rezonatör görevi görüyor. Önemli bir zorluk, bu titreşimlerin esas olarak radyasyon basıncının doğrudan etkisini maskeleyebilen lazer ışınından gelen ısıyla yönlendirilmesidir. Michaeli, ekibin bu zorluğu bir avantaja dönüştürdüğünü ve "Sadece istenmeyen ısıtma etkilerinden kaçınmakla kalmadık, aynı zamanda cihazın davranışı hakkında öğrendiklerimizi ışığın kuvvetini ölçmenin yeni bir yolunu oluşturmak için kullandık." diyor.

Yeni yöntem, cihazın aynı zamanda bir güç ölçer gibi davranarak lazer ışınının hem kuvvetini hem de gücünü ölçmesine olanak tanıyor.Ortak baş yazar Gao, "Cihaz küçük bir ışık yelkenini temsil ediyor, ancak çalışmalarımızın büyük bir kısmı uzun menzilli optik kuvvetler tarafından tetiklenen hareketi hassas bir şekilde ölçmek için bir şema tasarlamak ve gerçekleştirmekti" diyor.

Bunu yapmak için ekip, ortak yol interferometresi adı verilen bir şey inşa etti. Genel olarak, hareket, biri titreşen numuneye çarptığında ve diğeri katı bir konumu izlediğinde, iki lazer ışınının girişimiyle tespit edilebilir. Ancak, ortak yol interferometresinde, iki ışın neredeyse aynı yolu kat ettiğinden, yakınlarda çalışan ekipman veya hatta konuşan insanlar gibi aynı çevresel gürültü kaynaklarıyla karşılaşmışlardır ve bu sinyaller ortadan kaldırılır. Geriye kalan tek şey, numunenin hareketinden gelen çok küçük bir sinyaldir.Mühendisler, minyatür yelkeni incelemek için kullandıkları mikroskopa interferometreyi entegre ettiler ve cihazı özel yapım bir vakum odasının içine yerleştirdiler. Daha sonra yelkenin pikometre (trilyonda bir metre) kadar küçük hareketlerini ve mekanik sertliğini (yani yelken lazerin radyasyon basıncıyla itildiğinde yayların ne kadar deforme olduğunu) ölçebildiler.Araştırmacılar, uzaydaki bir ışık yelkeninin Dünya'daki bir lazer kaynağına her zaman dik kalmayacağını bildiklerinden, bir sonraki adımda lazer ışınının açısını bunu taklit edecek şekilde ayarladılar ve lazerin mini yelkeni ittiği kuvveti tekrar ölçtüler.

Önemlisi, araştırmacılar lazer ışınının açılı bir şekilde yayılıp bu nedenle bazı alanlarda örneği ıskalamasını, sonuçlarını cihazın kendisi tarafından ölçülen lazer gücüne göre kalibre ederek hesaba kattılar. Yine de, bu koşullar altındaki kuvvet beklenenden düşüktü. Makalede, araştırmacılar ışının bir kısmının açılı olarak yönlendirildiğinde yelkenin kenarına çarptığını ve ışığın bir kısmının dağılıp diğer yönlere gönderilmesine neden olduğunu varsayıyorlar.Ekip, ileriye dönük olarak nanobilimi ve metamalzemeleri (istenilen özelliklere sahip olacak şekilde bu kadar küçük ölçekte dikkatlice tasarlanmış malzemeler) kullanarak minyatür bir ışık yelkeninin yan yana hareketini ve dönüşünü kontrol etmeye yardımcı olmayı umuyor.

"O zaman hedefimiz, bu nanoyapılı yüzeyleri örneğin bir ışık yelkenine bir geri yükleme kuvveti veya torku vermek için kullanıp kullanamayacağımızı görmek olurdu," diyor Gao. "Bir ışık yelkeni lazer ışınından dışarı doğru hareket ederse veya dönerse, kendi kendine geri hareket etmesini veya dönmesini isteriz."Araştırmacılar, makalede anlatılan platformla yan yana hareketi ve dönüşü ölçebildiklerini belirtiyorlar.

^[1]Gao, "Bu, serbestçe ivmelenen bir ışık yelkeninin lazer ışınını takip etmesini sağlamak için tasarlanmış optik kuvvetleri ve torkları gözlemlemeye doğru önemli bir basamaktır" diyor.