• Saturday April 20,2019

Manövrieren mit einem Lichtstrahl: So steuern Sie ein Sonnensegel-Raumschiff

In diesem Sommer entfaltete sich Japans goldenes Sonnensegel im Weltraum und wurde zur ersten erfolgreichen Mission, die auf dem physischen Druck der Sonnenstrahlung segelte. Sein Erfolg führte dazu, dass Träumer wie der Direktor der Planetary Society, Bill Nye, sich eine Zukunft der Maschinen vorstellen, die durch den Druck von Lasern vorangetrieben werden, um den Kosmos zu erforschen. Nun, hier auf der Erde, sagen Forscher, dass sie eines der wichtigsten Prinzipien demonstriert haben, um eine solche Vision zu verwirklichen: eine „Lichtfolie“, die Licht verwendet, um Auftrieb zu erzeugen.

Die in Nature Photonics beschriebene Lichtfolie ist nur wenige Mikrometer groß, aber der führende Forscher Grover Swartzlander weist darauf hin, dass Wissenschaftler den optischen Auftrieb erstellen und steuern können. Es wirkt auf die Eigenschaft der Lichtbrechung, wie Glas Licht biegt.

Der optische Auftrieb unterscheidet sich von dem aerodynamischen Auftrieb, der durch ein Strömungsprofil erzeugt wird. Ein Flugzeug fliegt, weil Luft, die langsamer unter seinem Flügel strömt, mehr Druck ausübt als die sich schneller bewegende Luft darüber. Bei einer Lichtfolie wird der Auftrieb innerhalb des Objekts erzeugt, wenn der Strahl durchscheint. Die Form des transparenten Lichtblatts bewirkt, dass das Licht je nach Durchgangsbereich unterschiedlich gebrochen wird, was eine entsprechende Ablenkung des Strahlimpulses verursacht, der Auftrieb erzeugt.

Die Forscher könnten sagen, dass dieser Trick möglicherweise zum Steuern eines Raumfahrzeugs verwendet werden könnte.

Swartzlander's Lightfoil ähnelt eigentlich einem Profil, wobei eine Seite abgerundet und die andere flach ist. Mit dieser Form und dem Lichteinfall von unten stellte das Team fest, dass sich die Folie nicht nur nach oben, sondern auch zur Seite bewegte. Diese senkrechte Bewegung ist der Schlüssel, um zu zeigen, dass der optische Auftrieb tatsächlich stattgefunden hat, sagt Swartzlander: Die Richtung, in die das einfallende Licht gebrochen wird, sollte den höchsten Druck spüren, daher sollte die Folie in diese Richtung geschoben werden.

Zugegebenermaßen ist die Nomenklatur ein wenig verwirrend: "Lift" in Swartzlanders Experiment ist die Kraft, die das Lichtblatt zur Seite drückt und nicht nach oben. Das ist seltsam, weil wir es gewohnt sind, die Idee des Auftriebs mit der Aufwärtsbewegung in Verbindung zu bringen, da dies bei Flugzeugen der Fall ist. Die technischere Definition von Auftrieb ist jedoch, dass es sich um eine Kraft senkrecht zur Strömungsrichtung handelt. Da sich ein Flugzeug horizontal über die Landebahn bewegt, wirkt der Auftrieb senkrecht zu dieser horizontalen Bewegung und drückt eine Ebene nach oben.

Springen Sie für einen Moment zu Swartzlanders Lichtfolie zurück: Da die Forscher das Licht von unten auf die Lichtfolie strahlen, ist die Flussrichtung in diesem Fall vertikal. Und weil die Auftriebskraft senkrecht zur Strömungsrichtung wirkt, wirkt sie horizontal. Durch den „optischen Lift“ wird das Lichtblatt zur Seite gedrückt. Die technische Unterscheidung ist wichtig, da es im Weltraum kein "Auf" gibt.

Eine Anwendung der Lichtfolie wäre die Steuerung der Richtung von Weltraumfahrzeugen, die auf den Strahlungsdruck angewiesen sind, wie das experimentelle Sonnensegel-Raumschiff LightSail-1, das die Planetary Society, eine US-amerikanische Raumfahrtorganisation mit Sitz in Pasadena, Kalifornien, plant, später in diesem Jahr zu starten.

Diese frühen Raumfahrzeuge planen, den Druck der Photonen der Sonne als Wind in ihren Segeln zu nutzen. Um sich jedoch auf entfernte Missionen zu begeben, wie sie sich Nye in den kommenden Jahrhunderten vorstellt, in denen Sonnensegel Raumschiffe an Orte bringen, an denen der Sonnenwind schwächer ist, benötigen sie etwas anderes, um sie voranzutreiben. Hier kommt eine fortschrittliche Version einer Lichtfolie ins Spiel, die in der Lage ist, durch einfallendes Licht (vielleicht Strahlen von futuristischen Lasern im Erdorbit) sowohl Schubkraft als auch Steuerungsrichtung zu erzeugen. In einem viel kleineren Maßstab könnte man sich vorstellen, eine winzige Lichtfolie wie Swatzlander zu verwenden, um Mikromaschinen zu kontrollieren.

Könnte sein.

Optischer Aufzug ist "eine wirklich nette Idee", sagt der Physiker Miles Padgett von der University of Glasgow in Schottland, aber es ist noch zu früh, um zu sagen, wie der Effekt genutzt werden könnte. „Vielleicht ist es nützlich, vielleicht nicht. Wir werden sehen."


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