无需燃料的星际旅行？"光子晶体"光帆或助激光束推动航天器

这种新型光子晶体光帆能高效反射激光推进，同时让阳光几乎完全透过。

来自阿拉巴马州塔斯基吉大学的研究人员开发出了一种新型的光子晶体（一种纳米结构材料）光帆。这种新型光帆可能有助于解决传统金属涂层聚合物太阳帆所面临的问题，传统太阳帆往往容易吸收光线并因发热而降解。

你可能知道，如今大多数航天器依赖化学火箭推进。这些火箭需要燃料，而燃料很重，这限制了航天器的有效航程（和尺寸）。

另一方面，光帆的设计理念是利用辐射压力来推进航天器。其原理是通过反射表面的光线，产生一个微小的力来推动航天器前进。

因此，如果你用一束强大的激光照射一面反射性光帆，光子就会反弹并推动光帆前进。这可以比作风吹动帆船，只不过这里的"风"实际上是光子。

这个想法是"突破摄星"计划或美国宇航局的"伊卡洛斯"计划等项目的基础，这两个项目都旨在利用光子能量将微型航天器加速至光速的几分之一。

然而，这类设计通常由带有金属涂层（通常是铝之类的材料）的薄塑料膜构成。虽然有效，但它们往往会吸收部分照射到其表面的光，并将其转化为热量。

解决太阳帆的难题

如果与强大的定向激光结合使用，这可能会导致光帆随时间推移而熔化。通过向光帆添加更多反光材料可以克服这个问题，但这会增加额外的重量（以及发射航天器的成本）。

为了帮助解决这个问题，塔斯基吉大学的研究团队希望探究用不同材料替代金属涂层是否可行。他们偶然想到了使用光子晶体，这种材料在被光照射时可以控制光在其中的传播方式。

这种光子晶体包含比光波长还小的微小重复图案。研究团队解释说，在这种应用中，晶体由三个主要部分组成。

第一部分是具有高折射率的锗柱。第二部分是一系列具有低折射率的空气孔。最后一部分是作为基础材料的聚合物基质。

总的来说，这种新的纳米级结构的宽度大约在100到400纳米之间，大约相当于人类头发丝厚度的千分之一。这种聚合物结构产生了一种称为光子带隙的特性。

这类似于半导体阻挡某些电子能量的方式，而光子带隙则阻挡某些波长的光。实际上，这意味着激光被强烈反射（产生推力），而来自其他光源（如太阳）的光则直接透过。

实现了90%的效率

在测试中，研究团队发现，一块1平方米的这种材料，在100千瓦激光照射下，能够在1.2微米波长处实现约90%的反射率。研究团队称，这对于实验性推进系统来说已经足够好了。

这应该能产生持续的推力，从而在大约1小时内达到每秒数百米的潜在速度。这虽然还达不到星际航行所需的速度，但也是一次有价值的演示。

塔斯基吉大学助理教授迪米塔尔·迪米特罗夫解释说："通过设计与推进激光频率对齐的窄光子带隙，所提出的光帆可以在对周围太阳辐射基本透明的同时，在特定工作波段保持高反射率。"

他补充说："这项工作的一个关键贡献是论证了构建具有可控纳米特征的多介质光子晶体结构的可行性。结果表明，这些结构可以被设计成兼具低质量、强波长选择性和可扩展的制造潜力。"

有兴趣的朋友可以在《纳米光子学杂志》上查阅这项研究。

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