Die Lichtsegeltechnologie ist ein faszinierendes Konzept und ein Fortschritt im Raketenantrieb. Sie ist vielleicht nicht so groß und beeindruckend wie die Saturn V, das Space Shuttle oder die neue Starship-Rakete, aber wenn es darum geht, zwischen den Sternen zu reisen, könnten leichte Segel genau das Richtige sein. Und aus welchem Material könnte man die Segel besser bauen, als aus etwas, das mich dazu bringt, es immer wieder zu sagen: Photonik-Kristalle. Es klingt wie aus einer „Star Trek“-Folge, aber ein neuer Artikel untersucht ihre Machbarkeit.
Das Konzept der Lichtsegel ist eigentlich ganz einfach. Anstelle eines an einem Schiff befestigten Stoffsegels, das die Kraft des Windes nutzt, nutzen Lichtsegel die Kraft des Lichts, um Raumschiffe durch den Kosmos anzutreiben. Sie sind auf den Druck von Photonen angewiesen, die von einer leistungsstarken Lichtquelle wie einem Laser emittiert werden, um einen geringen Schub zu erzeugen.
Die Idee ist, dass Lichtphotonen einen Impuls übertragen und eine Kraft ausüben, wenn sie von einer Oberfläche reflektiert werden. Durch den Einsatz großer, superdünner Segel aus reflektierendem Material wie Mylar – der gleichen Sorte, die üblicherweise in der Amateurastronomie zur Beobachtung der Sonne verwendet wird – kann das Raumschiff vorwärts geschoben werden, wobei es langsam beschleunigt, aber schließlich erstaunliche Geschwindigkeiten erreicht.
Während leichte Segel ein Raumschiff möglicherweise nicht vom Boden abheben und in die Umlaufbahn bringen, ist die lange, langsame Beschleunigung nach dem Einsatz im Weltraum eine sehr effiziente Art, durch den Weltraum zu reisen. Das ist nicht nur Science-Fiction, das Starshot Breakthrough-Projekt hat sich zu einem Vorreiter auf dem Gebiet der Entwicklung eines Raumschiffs entwickelt, das Menschen innerhalb eines Menschenlebens zum 4,3 Lichtjahre entfernten Proxima Centauri schicken soll.
Kürzlich ein Artikel veröffentlicht auf der arXiv Ein Preprint-Server eines von Jin Chang geleiteten Teams untersucht die Möglichkeit eines neuen Materials für Lichtsegel, das als nanogefertigte Photonikkristalle bekannt ist. Bei diesen Kristallen handelt es sich um optische Nanostrukturen (zwischen mikroskopischer und molekularer Skala), deren Brechungsindex sich periodisch ändert. Diese kommen in der Natur im Tierreich beispielsweise in der reflektierenden Natur von Katzen- und Hundeaugen vor.
Das Team zeigt, wie ein Siliziumnitrid-Photonikkristall mit einer dünnen Siliziummembran die für Lichtsegel erforderliche hohe Reflektivität in den Wellenlängen 1300 nm bis 1500 nm erreichen kann. Das Potenzial der Segel ist erheblich, da die Herstellungstechniken auf mehrere Meter ausgelegt werden können, was durchaus den Grundstein dafür legen könnte, endlich, wenn nicht langsam, Menschen durch die Galaxie zu schicken.
Mehr Informationen:
Jin Chang et al., Breitbandige, hochreflektierende dielektrische Spiegel im Wafer-Maßstab: Kombination von photonischen Kristall- und Metaoberflächenarchitekturen für fortschrittliche Lichtsegel, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2312.04471