Солнечное крыло: «Оптодинамический профиль»

Солнечные паруса, позволяющие развивать тягу за счет давления света, уже разворачиваются в космосе. А новая работа исследователей из США, возможно, открывает дорогу к созданию «солнечных крыльев», которые позволят космическим аппаратам маневрировать, используя исключительно солнечное излучение.

Микроскопический стержень, освещенный снизу, перемещается вверх и в сторону (покадровая съемка).

Физики продемонстрировали оптический аналог аэродинамического профиля, который создает подъемную силу при облучении лазером. Ведущий автор исследования, Гровер Шварцландер (Grover Swartzlander) из Рочестерского технологического института, настолько воодушевлен полученными результатами, что сравнивает их с прорывом братьев Райт. 

Принцип «светового профиля» («lightfoil») аналогичен тому, по которому работает крыло самолета: в обоих случаях требуется превосходящее давление на одной из поверхностей, порождающее подъемную силу. В случае аэродинамического профиля перепад давления возникает благодаря тому, что при огибании крыла вдоль одной из поверхностей (нижней) воздух должен пройти меньший путь с меньшей скоростью, чем вдоль другой. «Световой профиль» использует разницу давлений света, а не воздуха. 

Теория давления электромагнитного излучения была сформулирована Дж.К. Максвеллом в конце девятнадцатого века. Благодаря этому явлению, например, хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца, а солнечные паруса позволяют космическим аппаратам перемещаться без затрат топлива (о запуске японского «солнечного парусника» IKAROS читайте – «Под парусом: день Японии»). 

Гровер и его коллеги предположили, что давление света может создавать подъемную силу при воздействии на «световое крыло». Выполнив компьютерный анализ преломления и отражения света на различных поверхностях, исследователи выделили оптимальную форму для «крыла» - стержень с полукруглым сечением, с поверхности которого наибольшая доля светового излучения будет «уходить» в направлении, перпендикулярном направлению облучения. 

Поместив пластиковые полуцилиндры длиной в несколько микрометров в воду, исследователи осветили их снизу с помощью лазера. Под действием прямого давления света стержни переместились вверх, но они также переместились и в сторону, что доказывает существование оптической «подъемной силы», действующей в направлении, перпендикулярном лучу.  



Одно из возможных применений этого эффекта – контроль направления движения космических аппаратов, оснащенных солнечными парусами, перемещение микромашин и частиц в жидких средах. 

Физик Мэтт Эйченфилд (Matt Eichenfield) из Калифорнийского технологического института отмечает, что неплохо было бы реализовать этот принцип для любого полупрозрачного объекта. Это возможно, говорит он, если подойти к проблеме с другой стороны: изменять параметры лазерного луча, а не форму объекта, на который он действует. 

По сообщению Nature News