Нанотехнологии в космических парусах

Сравнение произведенного наноматериала с самым большим световым парусом, показанным на анонсе Starshot в 2016 году. Автор: Richard Norte

Световые паруса — это сверхтонкие отражающие структуры, которые используют давление излучения, управляемое лазером, для движения космических аппаратов на высоких скоростях. В отличие от традиционной нанотехнологии, которая миниатюризирует устройства во всех измерениях, световые паруса следуют другому подходу. Они имеют наномасштабную толщину — около 1/1000 толщины человеческого волоса — но могут расширяться до листов с большими размерами.

Изготовление светового паруса, как это предусмотрено для Breakthrough Starshot Initiative, традиционно заняло бы 15 лет, в основном потому, что он покрыт миллиардами наноразмерных отверстий. Используя передовые методы, команда, включая первого автора и аспиранта Лукаса Нордера, сократила этот процесс до одного дня.

Новый тип нанотехнологий

«Это не просто еще один шаг в уменьшении размеров вещей; это совершенно новый способ мышления о нанотехнологиях», — объясняет доктор Ричард Норте, доцент Делфтского технического университета. «Мы создаем устройства с высоким соотношением сторон, которые тоньше, чем все, что было спроектировано ранее, но охватывают размеры, схожие с размерами массивных структур». Текущий прототип имеет размеры 60 мм x 60 мм и толщину 200 нанометров, покрыт миллиардами наноразмерных отверстий. Это представляет собой значительный шаг вперед в крупномасштабном изготовлении световых парусов.

Параметры миссии для миссии светового паруса к Альфа Центавра. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57749-y

«Другие недавние достижения в этой области, например, от Калтеха, продемонстрировали наномасштабный контроль над парусными структурами в микрометровых масштабах, тогда как наш подход масштабируется до сантиметровых структур, сохраняя при этом наномасштабную точность производства». При увеличении масштаба световой парус, созданный Норте и его коллегами, будет простираться на длину семи футбольных полей при толщине всего в миллиметр.

«Этот материал особенным делает не только его высокое соотношение сторон, но и одновременное сочетание крупномасштабных и наномасштабных характеристик в одном материале, что делает его легким и светоотражающим», — говорит Норте.

Команда объединила самые современные методы оптимизации нейронной топологии с передовыми методами изготовления, чтобы добиться этого. «Мы разработали новый метод травления на основе газа, который позволяет нам аккуратно удалять материал под парусами, оставляя только парус», — объясняет Норте. «Если паруса ломаются, то, скорее всего, это происходит во время производства. После того, как паруса подвешены, они на самом деле довольно прочные. Эти методы были специально разработаны в TU Delft».

«Наша работа объединяет последние достижения в оптимизации для изучения новых способов поиска неинтуитивных конструкций», — говорит доктор Мигель Бесса из Университета Брауна. «Объединив нейронные сети с оптимизацией топологии, мы создали конструкции, которые раздвигают границы возможного как в нанофотонике, так и в крупномасштабном производстве».

Проверка спектра отражения. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57749-y

От пикометров до сантиметров и световых лет

Предлагаемые световые паруса используют давление излучения, создаваемое лазером, для ускорения до поразительных скоростей, что позволяет совершать быстрые межпланетные путешествия. Например, зонды, приводимые в движение разработанными световыми парусами, теоретически могли бы достичь Марса за то время, которое требуется для доставки международной почты.

Хотя такие огромные расстояния остаются целью будущего, недавние исследования показали, что подобные световые паруса в настоящее время могут перемещаться на расстояния вплоть до пикометров. Норте и его команда сейчас готовят эксперименты по перемещению новых мембранных парусов на расстояния, измеряемые в сантиметрах, против силы тяжести Земли. «Это может показаться не таким уж большим, но это будет в 10 миллиардов раз дальше, чем что-либо, перемещаемое лазерами до сих пор».

Вселенная возможностей

Помимо исследования космоса, эти материалы открывают новые возможности для экспериментальной физики. Способность ускорять массы до высоких скоростей открывает беспрецедентные возможности для изучения взаимодействий света и материи и релятивистской физики в макроскопических масштабах.

«Это исследование выводит Делфт на передовые позиции в области наноматериаловедения», — добавляет Норте. «Теперь, когда мы можем делать эти световые паруса такими же большими, как полупроводники могут делать пластины, мы изучаем, что мы можем сделать с сегодняшними возможностями в области нанопроизводства, лазеров и дизайна».

«В некотором смысле, я думаю, это может быть так же захватывающе, как миссии за пределами Солнечной системы. Для меня примечательно то, что создание этих тонких оптических материалов может открыть окно в фундаментальные вопросы, такие как: насколько быстро мы можем на самом деле ускорить объект. Нанотехнологии, лежащие в основе этого вопроса, наверняка откроют новые пути интересных исследований».

Инициатива «Прорывная звезда»

В настоящее время нашим самым быстрым ракетам потребовалось бы около 10 000 лет, чтобы достичь даже ближайшей звезды за пределами Солнечной системы. Инициатива Breakthrough Starshot, объединяющая тысячи исследователей, стремится сократить это путешествие до 20 лет.

Проект предусматривает разработку сверхлегкого, лазерного космического корабля размером с микрочип, который станет первым межзвездным исследованием человечества за пределами Солнечной системы. Starshot был запущен Юрием Мильнером и Стивеном Хокингом в 2016 году.

Больше информации: Lucas Norder et al, Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57749-y

Источник: Delft University of Technology