Yıldızlararası Yolculuğa Bir Adım Daha: Yeni Nesil Işık Yelkenleri Geliştirildi
Yıldızlara küçük uzay araçları göndermeye yönelik potansiyel bir adım olarak araştırmacılar, bir lazer ışığı sütununu inanılmaz hızlara çıkarmak üzere tasarlanmış ultra ince, ultra yansıtıcı bir zar geliştirdiler.
NASA’nın Voyager 1 uzay aracı 1977’deki fırlatılışından bu yana uzayın derinliklerine doğru 15 milyar milden fazla yol kat etti. Bu uzun bir yol ama Güneş’e en yakın yıldız olan Alpha Centauri’ye olan mesafenin %1’i bile değil. Eğer insanlar yıldızlara gemi gönderecekse, uzay yolculuğunun çok daha hızlı olması gerekecek.
Bu tür bir hızı yakalamanın umut verici bir yolu “ışık yelkeni ”dir – rüzgarın bir yelkenliyi ittiği gibi ışık tarafından itilebilen ince, yansıtıcı bir zar. Işık yelkenleri, mevcut tahrik sistemlerini kullanarak yakın yıldızlara uçuş süresini birkaç bin yıldan belki de sadece on ya da iki yıla indirme potansiyeline sahiptir.
Şimdi, Brown Üniversitesi ve Hollanda’daki Delft Teknoloji Üniversitesi’nden (TU Delft) bir araştırma ekibi, ışık yelkenleri için ultra ince, ultra yansıtıcı membranlar tasarlamanın ve üretmenin yeni bir yolunu geliştirdi.
Nature Communications’da yayınlanan bir çalışmada araştırmacılar, 60 milimetre (yaklaşık 2,4 inç) genişliğinde ve 60 milimetre uzunluğunda, ancak sadece 200 nanometre kalınlığında (bir insan saçının küçük bir kısmı) bir ışık yelkeni membranını tanımlamaktadır.
Yüzey, malzemenin ağırlığını azaltmaya yardımcı olan ve yansıtıcılığını artırarak daha fazla hızlanma potansiyeli sağlayan milyarlarca nano ölçekli delikle karmaşık bir şekilde desenlenmiştir.
Brown Mühendislik Fakültesi’nde doçent olan ve araştırmayı TU Delft’te doçent olan Richard Norte ile birlikte yürüten Miguel Bessa, “Bu çalışma Brown Üniversitesi’ndeki teorisyenler ile TU Delft’teki deneyselciler arasında ortak bir çabaydı ve bugüne kadar kaydedilen en büyük en-boy oranına sahip yüksek oranda yansıtıcı bir ışık yelkeninin tasarlanmasını, üretilmesini ve test edilmesini mümkün kıldı” dedi.
“Richard’ın ekibinin deneysel atılımı, üretim süreçlerinin yıldızlararası seyahat için gereken boyutlara ölçeklenebilir olduğunu ve uygun maliyetli bir şekilde yapılabileceğini kanıtlıyor. Aynı zamanda ekibim, makine öğrenimi tarafından yönlendirilen en son optimizasyon yöntemimizin böylesine ilginç ve zor bir mühendislik problemini çözmedeki temel rolünü görmekten büyük heyecan duyuyor.”
Araştırma, girişimci Yuri Milner ve merhum fizikçi Stephen Hawking tarafından kurulan Starshot Breakthrough Initiative gibi hedeflerin gerçekleştirilmesine yönelik önemli bir adımdır.
Amaç, mikroçip boyutunda uzay araçları taşıyan yüzlerce metre ölçeğindeki ışık yelkenlerine güç sağlamak için yer tabanlı lazerler kullanmaktır. Araştırmacılar, bu yeni ışık yelkeni tasarımının kolayca metre ölçeğine kadar ölçeklendirilebileceğini ve yönetilebilir bir fiyat etiketine sahip olduğunu söylüyor.
Ekip tasarımlarında, ışık yelkeni tasarımı için çok uygun olan hafif ve yüksek mukavemetli bir malzeme olan tek katmanlı silikon nitrür kullandı. Araştırmacılar daha sonra ağırlığını en aza indirirken yansıtıcılığını en üst düzeye çıkarmak için çalıştılar.
Yüzeyin yansıtıcılığı yelkenin arkasında ne kadar ışık basıncı yaratılacağını belirler, bu da ne kadar hızlanabileceğini belirler. Aynı zamanda, daha hafif bir malzeme hızlanmak için daha az kuvvet gerektirir, bu nedenle daha az kütle daha fazla hıza eşittir.
Optimizasyon süreci, malzemenin yüzeyinde ışığın dalga boyundan daha küçük çaplara sahip milyarlarca nano ölçekli delikten oluşan bir desen tasarlamayı içeriyordu. Brown doktora öğrencisi Shunyu Yin’in de aralarında bulunduğu Bessa’nın ekibi, daha fazla yansıtma ve daha az ağırlık için deliklerin şeklini ve yerleşimini optimize etmek üzere geliştirdikleri yeni bir yapay zeka yöntemini kullandı.
Optimize edilmiş bir tasarıma sahip olduktan sonra, TU Delft’te Norte liderliğindeki bir ekip laboratuarda bunu imal etmek için çalışmaya başladı.
Norte, “Yelkenlerin altındaki malzemeyi hassas bir şekilde çıkararak sadece yelkeni bırakmamızı sağlayan yeni bir gaz bazlı aşındırma geliştirdik” dedi. “Yelkenler kırılırsa, bu büyük olasılıkla imalat sırasında olur. Yelkenler bir kez askıya alındığında, aslında oldukça sağlamdırlar. Bu teknikler TU Delft’te benzersiz bir şekilde geliştirilmiştir.”
Araştırmacılar, bu tasarımın geleneksel yöntemlerle üretilmesinin pahalı olacağını ve 15 yıl kadar süreceğini söylüyor. Ancak Norte’nin tekniklerini kullanarak üretim yaklaşık bir gün sürdü ve binlerce kat daha ucuza mal oldu.
Sonuç, araştırmacıların bugüne kadarki herhangi bir ışık yelkeni tasarımının en yüksek en-boy oranına-santimetre ölçeğinde uzunluğa ancak nano ölçekte kalınlığa sahip olduğuna inandıkları bir zardır. Araştırmacılar yöntemlerinin sadece insanların yıldızlara ulaşmasına yardımcı olmakla kalmayıp aynı zamanda nano ölçekli mühendisliğin sınırlarını da zorlayacağını umuyorlar.
Bessa, “Burada kullandığımız yeni makine öğrenimi ve optimizasyon teknikleri çok genel” dedi. “Bunları farklı amaçlarla pek çok farklı şey yaratmak için kullanabiliriz. Bu gerçekten sadece bir başlangıç. Şimdiye kadar çözülememiş mühendislik sorunlarını çözmenin eşiğinde olabiliriz.”
Kaynak: https://techxplore.com
2017’de Bizi Ziyaret Eden Nesne, Uzaylılara Ait Bir Işık Yelkenlisi