天文學家一直在等待詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的發射，該望遠鏡有望比以往任何時候都能更遠地窺視太空。但是，如果人類想要真正到達我們最近的恆星“鄰居”，將需要等待相當長的時間：用火箭送去半人馬座阿爾法星的探測器將需要大約8萬年的時間來完成這一旅程。賓夕法尼亞大學機械工程和應用力學系副教授Igor Bargatin正試圖用人類最古老的運輸技術之一的想法來解決這個未來的問題：帆。
作為 “Breakthrough Starshot”計劃的一部分，他和他的同事正在設計不是由風而是由光推動的帆的尺寸、形狀和材料。
使用納米級的薄材料和強大的激光器陣列，這樣的帆可以以五分之一的光速攜帶一個微芯片大小的探測器，其速度足以在大約20年內到達半人馬座阿爾法星，而不是千年。
Bargatin說：“在我們有生之年到達另一顆恆星需要相對論速度，或接近光速的速度。光帆的想法已經存在了一段時間，但我們現在才弄清楚如何確保這些設計能在旅行中存活下來。”
該領域早期的大部分研究都假定，太陽將被動地提供光帆移動所需的所有能量。然而，Starshot的計劃是使其帆達到相對論速度，這需要一個更集中的能量來源。一旦光帆進入軌道，一個大規模的地面激光器陣列將對其進行光束訓練，提供比太陽大數百萬倍的光強度。
鑒於激光器的目標將是一個三米寬的結構，其厚度只有一張紙的千分之一，如何防止帆的撕裂或熔化是一個重大的設計挑戰。
Bargatin、Deep Jariwala（電氣和系統工程系的副教授）和Aaswath Raman（加州大學洛杉磯分校Samueli工程學院材料科學和工程系的助理教授）現在在《納米通訊》雜誌上發表了一對論文，概述了其中的一些基本規範。
由Bargatin領導的一篇論文表明，Starshot的光帆–建議由超薄的氧化鋁和二硫化鉬片構成–將需要像降落傘一樣滾動，而不是像以前的大部分研究假設的那樣保持平坦。
Bargatin說：“這裡的直覺是，一個非常緊密的帆，無論是在帆上還是在太空中，都更容易被撕裂。這是一個相對容易掌握的概念，但我們需要做一些非常複雜的數學運算，以實際顯示這些材料在這種規模下的表現。”
Bargatin和他的同事們建議，一個彎曲的結構，大約和它的寬度一樣深，將最能承受帆的超加速的壓力，一個數千倍於地球重力的拉力。
Bargatin研究小組的博士后研究員、第一篇論文的主要作者Matthew Campbell說：“激光光子將填充帆，就像空氣給沙灘球充氣一樣。而且我們知道，輕質的加壓容器應該是球形或圓柱形的，以避免撕裂和裂縫。想想丙烷罐或甚至火箭上的燃料罐。”
Raman領導的另一篇論文提供了關於帆內的納米級圖案如何能最有效地消散比太陽強大一百萬倍的激光束所帶來的熱量的見解。
Raman解釋說：“如果帆吸收了哪怕是一小部分的入射激光，它們就會加熱到非常高的溫度。為了確保它們不會直接瓦解，我們需要最大限度地提高它們輻射熱量的能力，這是太空中唯一可用的熱傳遞模式。”
早期的光帆研究表明，使用光子晶體設計，基本上在帆的“織物”上釘上有規律間隔的孔，將使結構的熱輻射最大化。研究人員的新論文增加了另一層周期性：將帆“織物”的碎片以網格的方式綁在一起。
由於孔的間距與光的波長相匹配，而色塊的間距與熱發射的波長相匹配，帆可以承受更強大的初始推力，減少激光器需要停留在目標上的時間。
Jariwala說：“幾年前，即使是思考或做這類概念的理論工作也被認為是牽強附會。現在，我們不僅有一個設計，而且這個設計是以我們實驗室里的真實材料為基礎的。我們未來的計劃是在小範圍內製造這種結構，並用高功率激光器進行測試。”