無需燃料的星際旅行？"光子晶體"光帆或助激光束推動航天器

這種新型光子晶體光帆能高效反射激光推進，同時讓陽光幾乎完全透過。

來自阿拉巴馬州塔斯基吉大學的研究人員開發出了一種新型的光子晶體（一種納米結構材料）光帆。這種新型光帆可能有助于解決傳統金屬涂層聚合物太陽帆所面臨的問題，傳統太陽帆往往容易吸收光線并因發熱而降解。

你可能知道，如今大多數航天器依賴化學火箭推進。這些火箭需要燃料，而燃料很重，這限制了航天器的有效航程（和尺寸）。

另一方面，光帆的設計理念是利用輻射壓力來推進航天器。其原理是通過反射表面的光線，產生一個微小的力來推動航天器前進。

因此，如果你用一束強大的激光照射一面反射性光帆，光子就會反彈并推動光帆前進。這可以比作風吹動帆船，只不過這里的"風"實際上是光子。

這個想法是"突破攝星"計劃或美國宇航局的"伊卡洛斯"計劃等項目的基礎，這兩個項目都旨在利用光子能量將微型航天器加速至光速的幾分之一。

然而，這類設計通常由帶有金屬涂層（通常是鋁之類的材料）的薄塑料膜構成。雖然有效，但它們往往會吸收部分照射到其表面的光，并將其轉化為熱量。

解決太陽帆的難題

如果與強大的定向激光結合使用，這可能會導致光帆隨時間推移而熔化。通過向光帆添加更多反光材料可以克服這個問題，但這會增加額外的重量（以及發射航天器的成本）。

為了幫助解決這個問題，塔斯基吉大學的研究團隊希望探究用不同材料替代金屬涂層是否可行。他們偶然想到了使用光子晶體，這種材料在被光照射時可以控制光在其中的傳播方式。

這種光子晶體包含比光波長還小的微小重復圖案。研究團隊解釋說，在這種應用中，晶體由三個主要部分組成。

第一部分是具有高折射率的鍺柱。第二部分是一系列具有低折射率的空氣孔。最后一部分是作為基礎材料的聚合物基質。

總的來說，這種新的納米級結構的寬度大約在100到400納米之間，大約相當于人類頭發絲厚度的千分之一。這種聚合物結構產生了一種稱為光子帶隙的特性。

這類似于半導體阻擋某些電子能量的方式，而光子帶隙則阻擋某些波長的光。實際上，這意味著激光被強烈反射（產生推力），而來自其他光源（如太陽）的光則直接透過。

實現了90%的效率

在測試中，研究團隊發現，一塊1平方米的這種材料，在100千瓦激光照射下，能夠在1.2微米波長處實現約90%的反射率。研究團隊稱，這對于實驗性推進系統來說已經足夠好了。

這應該能產生持續的推力，從而在大約1小時內達到每秒數百米的潛在速度。這雖然還達不到星際航行所需的速度，但也是一次有價值的演示。

塔斯基吉大學助理教授迪米塔爾·迪米特羅夫解釋說："通過設計與推進激光頻率對齊的窄光子帶隙，所提出的光帆可以在對周圍太陽輻射基本透明的同時，在特定工作波段保持高反射率。"

他補充說："這項工作的一個關鍵貢獻是論證了構建具有可控納米特征的多介質光子晶體結構的可行性。結果表明，這些結構可以被設計成兼具低質量、強波長選擇性和可擴展的制造潛力。"

有興趣的朋友可以在《納米光子學雜志》上查閱這項研究。

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