从科幻小说到现实：激光动力帆正在改变太空旅行的未来

创作时间:

作者:

@小白创作中心

从科幻小说到现实：激光动力帆正在改变太空旅行的未来

引用

新浪网

https://finance.sina.com.cn/jjxw/2025-03-05/doc-inenqpar4615549.shtml

科学家们希望通过利用激光驱动推进技术，以前所未有的速度将航天器送往遥远的恒星系统。材料和测量技术的新进展正在让这个曾经充满幻想的概念更接近现实。

加州理工学院团队的“微型蹦床”显微镜图像，四角拴着的小光帆，用于直接测量辐射压力。

使用超薄帆穿越星际空间的想法听起来像科幻小说，但这是科学家正在探索的真实概念。2016年，物理学家斯蒂芬·霍金和企业家尤里·米尔纳发起了“突破星射计划”，该计划旨在研究激光动力的“光帆”如何以极快的速度推动微型太空探测器。最终目标是将这些探测器发送到我们最近的恒星系统半人马座阿尔法星。

目前，美国加州理工学院处于这项工作的研究前沿，领导着一个全球研究项目，致力于使光帆技术成为现实。加州理工学院工程与应用科学部主席、应用物理与材料科学教授哈里·阿特沃特解释说：“光帆的飞行速度将超过以往任何航天器，有可能最终跨越星际距离，直接进行航天器探索，而这些距离现在只能通过远程观测来实现。”

测试光帆的未来

现在，阿特沃特和他在加州理工学院的同事们已经开发出一个平台，用于鉴定超薄薄膜的特性，这种薄膜有朝一日可能被用来制造这些光帆。他们的测试平台包括一种测量激光对帆施加的力的方法，这种力将被用来使航天器在太空中急速飞行。该团队的实验标志着从光帆的理论建议和设计到关键概念和潜在材料的实际观测测量迈出了第一步。

“开发最终可用作光帆的薄膜面临着众多挑战。它需要耐高温，在压力下保持形状，并沿着激光束的轴线稳定运行。”阿特沃特说，“但在开始制造这种帆之前，我们需要了解材料对激光辐射压力的反应。我们想知道能否通过测量薄膜的运动来确定它所受的力。事实证明我们可以。”

向实际应用迈出重要一步

关于这项研究的论文于1月30日发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志上。论文的主要作者是加州理工学院应用物理学博士后里奥·麦凯利（Lior Michaeli）和应用物理学研究生雷蒙·高（Ramon Gao）。

他们的目标是描述自由移动光帆的行为特征。但作为第一步，为了开始在实验室中研究材料和推进力，研究小组制作了一个微型光帆，将其四角拴在一个更大的薄膜上。

利用纳米技术打造更好的光帆

研究人员利用加州理工学院卡弗里纳米科学研究所的设备和一种名为电子束光刻的技术，将厚度仅为50纳米的氮化硅膜仔细地图案化，创造出一种看起来像微型蹦床的东西。这个微型蹦床是一个宽仅40微米、长仅40微米的正方形，四角由氮化硅弹簧悬挂。然后，研究小组用可见光波长的氩激光照射薄膜。目的是通过测量蹦床上下移动时的运动来测量微型光帆所承受的辐射压力。

但从物理学的角度来看，当帆被拴住时，情况就会发生变化，共同第一作者麦凯利说：“在这种情况下，动力学变得相当复杂。风帆就像一个机械谐振器，在受到光线照射时会像蹦床一样振动。一个关键的挑战是，这些振动主要由激光束的热量驱动，这会掩盖辐射压力的直接影响。”麦凯利说，研究小组将这一挑战转化为优势，不仅避免了不必要的加热效应，还利用他们所学到的装置行为知识，创造了一种测量光力的新方法。

测量光力的突破性进展

新方法使该装置还能充当功率计，测量激光束的力和功率。“该装置是一个小型光帆，但我们工作的一个重要部分是设计和实现一种方案，以精确测量长距离光力引起的运动。”共同第一作者高说。

为此，研究小组建造了一个所谓的共径干涉仪。一般来说，运动可以通过两束激光的干涉来检测，其中一束打在振动的样品上，另一束打在刚性位置上。然而，在共路径干涉仪中，由于两束激光几乎走过相同的路径，它们遇到了相同的环境噪音源，如附近运行的设备，甚至是人们的谈话，这些信号都会被消除。剩下的只是样品运动产生的极小信号。

研究人员将干涉仪集成到他们用来研究微型光帆的显微镜中，并将该装置安装在一个定制的真空室中。这样，他们就能测量小至皮米（万亿分之一米）的光帆运动及其机械刚度——即当光帆受到激光辐射压力推动时，弹簧的变形程度。

测试真实的太空飞行条件

研究人员知道，太空中的光帆并不总是与地球上的激光源保持垂直，因此他们接下来模拟这种情况，调整了激光束的角度，并再次测量了激光推动微型光帆的力量。重要的是，研究人员根据设备本身测得的激光功率对结果进行了校准，从而考虑到了激光束以一定角度散开，从而在某些区域漏掉的情况。然而，这些情况下的力却低于预期。在论文中，研究人员假设，当光束以一定角度照射时，部分光束会击中帆的边缘，导致部分光线散射并向其他方向发送。