新型光帆問世，有望讓無人探測器加速至光速的20%

IT之家 3 月 7 日消息，科技媒體 thedebrief 昨日（3 月 6 日）發(fā)布博文，報道稱塔斯基吉大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)新型“光子晶體光帆”，理論上能將無人探測器加速至光速的 20%。

IT之家注：光子晶體光帆（Photonic light-crystal sail）是一種新型太空推進(jìn)裝置。不同于靠風(fēng)力驅(qū)動的傳統(tǒng)帆船，它利用微觀納米結(jié)構(gòu)高比例反射激光光子，從而利用光子攜帶的動量來獲得前進(jìn)的推力。

圖源：WikiMedia

這種光帆摒棄了傳統(tǒng)化學(xué)燃料，依靠強(qiáng)大的定向激光提供推進(jìn)力。以抵達(dá)距離地球最近的恒星比鄰星（Proxima Centauri，約 4.25 光年）為例，傳統(tǒng)化學(xué)火箭需要數(shù)十萬年，而采用該技術(shù)的無人探測器僅需約 20 年。

此前光帆的實(shí)際應(yīng)用一直受制于工程瓶頸，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用鍍金屬的聚合物薄膜，這種材料在反射能量后，會不可避免地吸收部分激光并將其轉(zhuǎn)化為致命的熱量。

為了捕獲并散去這些廢熱，工程師只能增加材料與厚度，這卻違背了航天器必須極致輕量化的原則，讓光帆設(shè)計(jì)陷入了類似“火箭方程式”的增重死循環(huán)。

研究團(tuán)隊(duì)為徹底解決這一難題，創(chuàng)新性地采用了三層介電結(jié)構(gòu)：底層為高折射率的鍺柱，中層為低折射率的空氣孔，頂層為聚合物基底。

這三種材料在次 200 納米尺度下精密排列，形成了一個狹窄的“光子帶隙”。該結(jié)構(gòu)極其巧妙，不僅能對特定波長的推進(jìn)激光產(chǎn)生極高的反射率，同時對外部頻段的太陽輻射保持近乎透明，從而大幅降低了吸熱與過載風(fēng)險。

團(tuán)隊(duì)隨后通過精密制造與模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的卓越性能。在測試中，這種光帆在 1.2 微米激光波長下的反射率達(dá)到了約 90%。此外，在 100 千瓦持續(xù)激光的照射下，一塊面積僅一平方米的光帆能在理想狀態(tài)下的一小時內(nèi)，加速至每秒數(shù)百米。

研究作者迪米塔爾 · 迪米特羅夫（Dimitar Dimitrov）強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)工作成功打通了從理論設(shè)計(jì)到實(shí)際制造的路徑。盡管目前距離真正的星際航行仍有技術(shù)距離，但這種兼具低質(zhì)量與高反射率的新型光子晶體光帆，將率先為太陽系內(nèi)的行星際探索提供切實(shí)可行的激光推進(jìn)方案。

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