Новая технология может сократить путь к Альфа Центавра до 20 лет

Новая система ультратонких солнечных парусов, разработанная с использованием искусственного интеллекта, может значительно приблизить человечество к межзвездным путешествиям. Эта технология, по расчетам ученых, способна доставить космический аппарат к ближайшей звезде за 20 лет.

В 1977 году зонд Voyager 1 стал первым искусственным объектом, покинувшим нашу Солнечную систему. Однако, чтобы достичь системы Альфа Центавра , ближайшей к нам звезды, ему потребовалось бы более 70 тысяч лет. Солнечный парус , напротив, способен значительно ускорить этот процесс. Это крупная отражающая поверхность, которая, находясь перед космическим аппаратом, может использовать солнечный свет или лазерный луч с Земли для постоянного ускорения. Теоретически это может позволить достичь скорости 10-20% от скорости света.

Создание материалов, которые одновременно будут легкими и отражающими, долгое время оставалось нерешенной задачей. Теперь исследователи с помощью нейронной топологической оптимизации создали нанометровый лист из нитрида кремния, который может воплотить эту идею в жизнь.

«Эта миссия требует материалов для солнечных парусов, которые бросают вызов основам нанотехнологий, требуя инноваций в области оптики, материаловедения и структурной инженерии», — отмечает команда исследователей в препринте, опубликованном на arXiv . «Это исследование подчеркивает потенциал нейронной топологической оптимизации для достижения инновационных и экономически жизнеспособных дизайнов солнечных парусов, что критически важно для космических исследований нового поколения».

Техника, используемая учеными, была вдохновлена проектом Breakthrough Starshot, запущенным Breakthrough Initiatives в 2016 году. Starshot стремится создать флот из 1000 крошечных космических аппаратов, использующих солнечные паруса и наземный лазер для достижения Альфа Центавра в течение 20-30 лет. Зонды будут оснащены камерами и другими датчиками для передачи данных по прибытии.

Для достижения необходимых скоростей космические аппараты должны быть чрезвычайно легкими — сами зонды будут размером всего в несколько сантиметров и весом в несколько граммов. Однако солнечные паруса, чтобы собрать достаточное количество света, должны иметь площадь около 9 квадратных метров, что требует использования ультралегких материалов.

Одним из перспективных подходов является создание оптических наноструктур, называемых фотонными кристаллами, состоящими из повторяющейся сетки крошечных отверстий. Проделывание миллионов или миллиардов таких отверстий в материале значительно снижает его вес, а также создаёт необычные оптические эффекты, повышающие отражательную способность материала.

Определение оптимальной конфигурации этих отверстий — сложный процесс. Поэтому группа исследователей из Делфтского университета в Нидерландах и Брауновского университета в США привлекла искусственный интеллект. Они объединили нейронную сеть с традиционной программой вычислительной физики для поиска оптимальной формы и расположения отверстий, минимизируя массу и увеличивая отражательную способность.

Результатом стала решетка с отверстиями в форме бобов, толщина которых не превышает 200 нанометров. Для демонстрации работоспособности дизайна использовался метод литографии, при котором лазер с невероятно детализированным трафаретом создает отверстия в пластине из нитрида кремния. С помощью этого метода команда создала образец площадью 35 квадратных сантиметров, который весил всего несколько микрограммов.

Литография — это технология, используемая при производстве компьютерных чипов, поэтому исследователи считают, что их подход можно легко масштабировать. По прогнозам команды, на создание полноразмерного солнечного паруса потребуется около дня и 2700 долларов. Однако для этого придется построить специальное производство, так как существующие заводы по изготовлению чипов работают с пластинами длиной до 38 сантиметров.

Стефания Солдини из Ливерпульского университета отметила, что для успешной реализации миссии Breakthrough Starshot еще предстоит решить множество инженерных задач, но дешевый и быстрый способ производства солнечных парусов будет ключевым.

NASA также активно исследует этот подход. Недавно агентство объявило , что его передовая система солнечных парусов, запущенная в этом году, близка к первому развертыванию парусов.

Если эти проекты окажутся успешными, человечество сможет увидеть первые подробные снимки миров за пределами Солнечной системы в течение жизни нынешнего поколения.