科学家成功测量光帆推力，助力实现星际旅行

IT之家 2 月 9 日消息，加州理工学院的科学家们在光帆（Lightsail）技术研究领域取得了重要进展，为未来将微型航天器送往遥远恒星系统奠定了重要基础。这一成果有望推动“突破摄星”计划（Breakthrough Starshot Initiative）的实施，该计划旨在利用激光驱动航天器，实现星际旅行。

据IT之家了解，“突破摄星”计划由已故著名科学家斯蒂芬・霍金和科技投资人尤里・米尔纳于 2016 年发起，目标是将微型探测器送往距离地球最近的恒星系统 —— 半人马座 α 星。该计划的核心是利用地球上的高功率激光推动轻薄的帆驱动探测器，就像地球上的风推动帆船一样，使航天器能够在无需化学推进剂的情况下达到前所未有的速度。

光帆是太阳帆的一种更通用形式，其通过光源的辐射压力产生推进力。辐射压力是指辐射撞击表面时传递的动量，类似于地球上的风对帆船帆的作用。虽然光子本身没有质量，但当它们撞击物体时，仍会传递一部分动量，从而对物体产生微小的推力。尽管单个光子的影响微乎其微，但在真空中，数以万亿计的光子撞击一个表面时，这种推力的累积效应将变得十分显著。

这种辐射压力在航天领域具有重要意义。例如，太阳光的辐射压力足以使行星际航天器偏离预定轨道数千英里，因此在向火星或其他行星发送探测器时，必须考虑这种效应。

利用更高能量的激光束产生的辐射压力，可以更精准地推动航天器上的光帆。与复杂的化学推进火箭相比，激光束提供的持续压力能够使航天器达到更快且更可靠的速度。

加州理工学院工程与应用科学部奥蒂斯・布斯领导主席哈里・阿特沃特表示：“光帆将比以往任何航天器都更快，为直接进行航天器的星际探索提供了可能。”

阿特沃特的团队开发了一个测试平台，用于测量激光对一种微观“蹦床”—— 氮化硅薄膜的推力。这种薄膜厚度仅为 50 纳米，而微型光帆是一个边长为 04 微米的正方形薄片，其四个角通过氮化硅弹簧固定，并在激光照射下产生振动。通过检测这些微小的振动，研究人员能够计算出激光束的推力及其功率。

阿特沃特指出：“开发可用于光帆的薄膜面临诸多挑战。其需要承受高温，在压力下保持形状，并且能够稳定地沿着激光束的轴线飞行。但在我们开始建造这样的光帆之前，我们必须了解材料对激光辐射压力的反应。我们想知道是否可以通过测量薄膜的运动来确定施加在其上的力，结果证明这是可行的。”

该研究的主要作者、博士后学者利奥尔・米夏利和研究生 Ramon Gao 构建了一个名为共路干涉仪的专用装置，能够通过消除实验室中设备运行或人员交谈产生的背景噪声，精确测量薄膜的运动。

米夏利表示：“我们不仅避免了不必要的加热效应，还利用我们对装置行为的了解，创造了一种新的测量光的推力的方法。”Ramon Gao 补充说，该平台能够测量光帆的横向运动和旋转，为未来能够自我修正偏离激光束的光帆设计铺平了道路。

研究团队希望最终将先进的纳米材料和超材料整合到光帆中，以使其在星际旅行中稳定飞行。Ramon Gao表示：“这是朝着观察光学力和扭矩迈出的重要一步，这些力和扭矩将使自由加速的光帆能够沿着激光束飞行。”

目前，多个光帆项目正在推进中。尽管美国宇航局去年部署的太阳帆遇到了一些机械问题，但加州理工学院团队的这一研究对于进一步完善光帆设计具有重要意义。

该研究成果已于 1 月 30 日发表在《自然・光子学》杂志上。