Les chercheurs développent une nouvelle méthode de conception et de fabrication pour fabriquer des rides Lights pour les voyages interstellaires

Dans une étape potentielle vers l’envoi de petits vaisseaux spatiaux aux étoiles, les chercheurs ont développé une membrane ultra-mince et ultra-réfléchie conçue pour monter une colonne de lumière laser à des vitesses incroyables.

Depuis son lancement en 1977, le vaisseau spatial Voyager 1 de la NASA a parcouru plus de 15 milliards de miles dans l’espace profond. C’est un long chemin, mais ce n’est même pas 1% de la distance d’Alpha Centauri, l’étoile la plus proche du soleil. Si les humains vont envoyer des navires aux étoiles, les voyages spatiaux devront devenir beaucoup plus rapidement.

Une façon prometteuse de ramasser ce type de vitesse est un « luminaire« – Une membrane mince et réfléchissante qui peut être poussée par la lumière de la même manière que le vent pousse un voilier. Lightsails a le potentiel de réduire le temps de vol vers les étoiles à proximité de plusieurs milliers d’années en utilisant des systèmes de propulsion actuels pour peut-être une décennie ou deux.

Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Université Brown et de l’Université de technologie de Delft (TU Delft) aux Pays-Bas a développé une nouvelle façon de concevoir et de fabriquer des membranes ultra-minces et ultra-réflexives pour les sites lumineux.

Dans une étude publié dans Communications de la natureles chercheurs décrivent une membrane de taille lumineuse qui mesure 60 millimètres (environ 2,4 pouces) de large par 60 millimètres de long, mais avec une épaisseur de seulement 200 nanomètres – une minuscule fraction de cheveux humains.

La surface est de manière complexe avec des milliards de trous à l’échelle nanométrique, ce qui contribue à réduire le poids du matériau et à augmenter sa réflectivité, ce qui lui donne plus de potentiel d’accélération.

« Ce travail a été un effort conjoint entre les théoriciens de l’Université Brown et les expérimentateurs de Tu Delft, ce qui permet de concevoir, de fabriquer et de tester et de tester une série lumineuse hautement réfléchissante avec le plus grand rapport d’aspect enregistré à ce jour », a déclaré Miguel Bessa, professeur agrégé à la Brown School of Engineering qui a lancé la recherche avec Richard Norte, professeur associé à Tu Delft.

« La percée expérimentale de l’équipe de Richard prouve que leur processus de fabrication est évolutif aux dimensions nécessaires pour les voyages interstellaires et peut être fait de manière rentable. Simultanément, mon équipe est très enthousiaste pour voir le rôle essentiel de notre dernière méthode d’optimisation guidée par l’apprentissage de la machine pour résoudre un problème d’ingénierie aussi intéressant et difficile. »

La recherche est une étape importante vers la réalisation d’objectifs comme ceux de l’initiative Breakthrough Starshot, fondée par l’entrepreneur Yuri Milner et le défunt physicien Stephen Hawking.

L’objectif est d’utiliser des lasers au sol pour alimenter des centaines de riches à l’échelle des mètres transportant un vaisseau spatial de la taille d’une puce. Cette nouvelle conception Lightail pourrait être mise à l’échelle à l’échelle du mètre assez facilement, selon les chercheurs, et avec un prix gérable.

Pour leur conception, l’équipe a utilisé du nitrure de silicium à couche unique, un matériau léger et à haute résistance qui est bien adapté à Lightail Design. Les chercheurs ont ensuite travaillé pour maximiser sa réflectivité tout en minimisant son poids.

La réflectivité de la surface détermine la quantité de pression légère créée derrière la voile, ce qui détermine à son tour à quelle vitesse il peut accélérer. Dans le même temps, un matériau plus léger nécessite moins de force pour accélérer, donc moins de masse équivaut à plus de vitesse.

Le processus d’optimisation impliquait de concevoir un motif de trous à l’échelle nanométrique – dont les milliards à travers la surface du matériau avec des diamètres plus petits que la longueur d’onde de la lumière. L’équipe de Bessa, y compris Brown Ph.D. L’étudiant Shunyu Yin, a utilisé une nouvelle méthode d’intelligence artificielle qu’ils ont développée pour optimiser la forme et le placement des trous pour une réflectivité accrue et une diminution du poids.

Une fois qu’ils ont eu un design optimisé, une équipe dirigée par Norte à Tu Delft est allée travailler en le fabriquant dans le laboratoire.

« Nous avons développé une nouvelle gravure à base de gaz qui nous permet de retirer délicatement le matériau sous les voiles, ne laissant que la voile », a déclaré Norte. « Si les voiles se cassent, c’est probablement pendant la fabrication. Une fois les voiles en suspension, elles sont en fait assez robustes. Ces techniques ont été développées uniquement à Tu Delft. »

La fabrication de cette conception avec des méthodes traditionnelles aurait été coûteuse et prise jusqu’à 15 ans, selon les chercheurs. Mais en utilisant les techniques de Norte, la fabrication a pris environ une journée et est des milliers de fois moins chère.

Le résultat est une membrane qui, selon les chercheurs, a le rapport d’aspect le plus élevé – longueur à l’échelle du centimètre mais avec l’épaisseur à l’échelle nanométrique – de toute conception de prix lumineux à ce jour. Les chercheurs espèrent que leurs méthodes aideront non seulement les humains à atteindre les étoiles, mais aussi repousser les limites de l’ingénierie nanométrique.

« Les nouvelles techniques d’apprentissage automatique et d’optimisation que nous avons utilisées ici sont très générales », a déclaré Bessa. « Nous pourrions les utiliser pour créer beaucoup de choses différentes à des fins différentes. Ce n’est vraiment que le début. Nous pourrions être sur le point de résoudre des problèmes d’ingénierie qui sont restés insolubles jusqu’à présent. »