新型光帆材料有望加速星际旅行

塔斯基吉大学的科学家设计并制造了一种光子晶体光帆,在目标波长下实现了约90%的反射率,这是迈向实用激光驱动航天器推进的重要一步,最终可能实现星际旅行。这项研究于2026年3月发表在《纳米光子学杂志》上,阐述了一种新颖的三材料结构,它通过选择性地反射推进激光同时对环境太阳辐射保持透明,改进了传统光帆设计。

帆船设计的新方法

与依赖金属涂层聚合物薄膜的传统光帆不同,塔斯基吉团队的设计采用了由三种介电组件组成的纳米级图案:高折射率锗柱、低折射率空气空隙,以及由聚甲基丙烯酸甲酯制成的聚合物基体。这种配置在约1.2微米的推进激光波长处形成了一个窄光子带隙,实现了针对性的反射率,而不会出现困扰金属涂层的过热问题。

"通过设计一个与推进激光频率对齐的窄光子带隙,所提出的光帆可以对环境太阳辐射保持大部分透明,同时在特定工作波段保持高反射率,"主要作者、塔斯基吉大学助理教授迪米塔尔·季米特洛夫说道。

该团队使用平面波展开和时域有限差分模拟来优化设计,然后使用电子束光刻和真空沉积技术制造了概念验证材料薄膜。

从行星际到星际

光帆利用辐射压力而非机载燃料进行推进,这一概念是"突破摄星"计划的核心,该计划设想将克级探测器送往半人马座阿尔法星,速度可达光速的20%。以这样的速度,探测器可以在大约20年内抵达地球最近的恒星邻居,而不是化学火箭所需的数十万年。

塔斯基吉团队的模拟表明,他们的光帆可以产生持续推力,在理想条件下,可能在一小时内加速到每秒数百米。虽然这远未达到星际飞行速度,但研究人员表示,该设计对于太阳系内的行星际任务足够稳健,并为未来的规模化奠定了基础。

面临的挑战

研究人员承认,在光子晶体光帆能够执行实际任务之前,仍有许多工作需要完成,包括评估激光束质量、环境扰动以及材料在太空中的长期稳定性。Dimitrov表示:"尽管目前存在局限性,我们的研究可以作为多介质光子晶体光帆设计和制造的基础",并补充说这项研究"可能为激光驱动推进系统提供一条通往经过实验验证的、可扩展的轻量化设备的途径"。