Onderzoekers van Texas A&M University hebben een doorbraak gerealiseerd in lichtgedreven voortstuwing door microscopisch kleine apparaatjes te ontwikkelen die met laserlicht kunnen worden gelift en gestuurd. Deze zogenaamde 'metajets' zouden volgens de wetenschappers een cruciale rol kunnen spelen bij toekomstige interstellaire ruimtereizen, waarbij ze helpen om lichtzeilen te navigeren door de ruimte.
Hoe werken metajets?
De metajets zijn ultradunne siliciumschijfjes, kleiner dan de breedte van een mensenhaar en ongeveer 0,01 millimeter groot. newscientist.com zijn deze apparaatjes voorzien van minuscule zuiltjes die het licht dat erop valt kunnen sturen. De grootte en het patroon van deze zuiltjes bepalen de kracht en richting van het momentum dat het licht op het hele apparaat overdraagt.
Het werkingsprincipe is vergelijkbaar met hoe lichtdeeltjes, of fotonen, momentum dragen en dit overdragen aan een oppervlak wanneer ze erop reflecteren of erdoorheen breken. "We wisten al dat elk licht of elke laser momentum kan overdragen, maar nu kunnen we ook de richting controleren," verklaart hoofdonderzoeker Kaushik Kudtarkar aan New Scientist.
Succesvolle laboratoriumtests
Om de technologie te testen, lieten de onderzoekers het silicium apparaatje in water vallen en beschenen het met een laser, terwijl ze de beweging met een microscoop volgden. newatlas.com leviteerde de metajet niet alleen, maar bewoog ook horizontaal, waarbij een maximale snelheid van ongeveer 0,07 millimeter per seconde werd bereikt.
De experimenten toonden aan dat volledige driedimensionale manoeuvreerbaarheid mogelijk is. gizmodo.com, konden de onderzoekers de apparaatjes zijwaarts bewegen, verticaal optillen en deze bewegingen combineren. Dit markeert een belangrijke vooruitgang in lichtvoortstuwing, omdat eerdere systemen vooral afhankelijk waren van het vormgeven van de inkomende lichtstraal zelf.
Toepassingen voor ruimtevaart
De potentiële impact voor ruimtevaart is aanzienlijk. Lichtzeilen, enorme vellen die worden voortgestuwd door licht dat erop weerkaatst, worden al langer gezien als een veelbelovende methode voor het afleggen van enorme afstanden door de ruimte. Het probleem was echter altijd de besturing van deze zeilen.
futuriscom beweren de onderzoekers dat deze technologie, indien opgeschaald, een reis naar Alpha Centauri – ons dichtstbijzijnde stersysteem op ruim vier lichtjaar afstand – zou kunnen verkorten tot ongeveer twintig jaar. Met conventionele raketvoortstuwing zou zo'n reis honderdduizenden jaren duren.
Dr. Shoufeng Lan, assistent-professor aan de J. Mike Walker '66 Department of Mechanical Engineering en leider van het onderzoeksteam, vergelijkt het effect met pingpongballen die van een oppervlak afketsen. Hoewel de kracht klein is, is deze reëel en met het juiste ontwerp bruikbaar.
Uitdagingen en toekomstperspectieven
De technologie staat nog in de kinderschoenen en er zijn aanzienlijke uitdagingen te overwinnen voordat interstellaire reizen werkelijkheid worden. Het opschalen van microscopische apparaatjes naar volwaardige ruimtevaartuigen vereist enorme hoeveelheden optische energie. interestingengineering.com moet nog worden aangetoond dat de fysica die op microschaal werkt, ook op grotere schaal toepasbaar is.
Kudtarkar benadrukt echter dat er metasurfaces bestaan die hun vorm in de tijd kunnen veranderen. "Nu we de krachten op dit apparaat kennen, kun je het metasurface-ontwerp aanpassen en het vervolgens sturen zoals je wilt," legt hij uit. Dergelijke materialen zouden op lichtzeilen kunnen worden gebruikt om ze door de ruimte te navigeren.
Andere toepassingen
Naast ruimtevaart zien de onderzoekers ook biomedische toepassingen. De apparaatjes zouden letterlijk medicijnen naar een specifieke locatie in het lichaam kunnen duwen, aldus Kudtarkar. Dit opent mogelijkheden voor gerichte medicijntoediening zonder invasieve procedures.
De studie, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Newton, vertegenwoordigt een belangrijke stap in de ontwikkeling van brandstofvrije voortstuwingssystemen. Hoewel een bemande reis naar andere sterren nog toekomstmuziek blijft, biedt deze technologie een concreet pad naar snellere en duurzamere ruimteverkenning.