Свет может заставить предметы летать

Недавно американские ученые смогли поднять небольшой предмет с помощью… луча света. Оказалось, он, как и воздух, может давать телам тяжелее его подъемную силу. Исследователи уверены, что открытый ими принцип сможет помочь сконструировать совершенные "солнечные паруса" для космических кораблей, которые полетят к планетам далеких звезд.

Собственно говоря, ученые из Технологического института Рочестера в Нью-Йорке не открыли ничего принципиально нового, поскольку уже давно физики предполагали, что свет может поднимать предметы тяжелее его. Однако экспериментально это было доказано впервые. Правда, свет в данных опытах поднимал предметы не в воздушной, а в водной среде.

Прежде всего ученые создали при помощи компьютера модель того, как свет преломляется внутри тел различной формы и как излучение покидает данные тела. При анализе получившихся моделей их внимание привлекла ситуация с преломлением света в прозрачных объектах, немножко напоминающих своей формой крыло самолета. Возникло предположение, что подобное "световое крыло" должно работать так же, как обычное: при облучении такого объекта под определенным углом возникает перекос в направлении света, прошедшего сквозь материал, что создает разницу давлений, подобную разнице в давлении воздуха над и под самолетным крылом.

Оставалось лишь проверить данное предположение экспериментально. И вот исследователи сконструировали из прозрачного полимера изогнутые стержни с полукруглым сечением, длина и ширина которых не превышала несколько микрометров, затем поместили их в воду и осветили снизу милливаттным лазером.

Как и было предсказано, стержень не только поднимался вверх, но и, что более важно, двигался в направлении, перпендикулярном направлению лазерного света. Это подтвердило гипотезу одного из исследователей, Гровера Шварцлендера, согласно которой угол, под которым свет падает на материал и выходит из него, должен определять направление движение объекта.

Проанализировав результаты эксперимента, ученые пришли к выводу, что действительно оптическая подъемная сила создается внутри прозрачного объекта из-за создаваемой преломлением света разницы давлений. Примечательно, что во время опытов физики получили рекордные оптические подъемные углы — около 60 градусов. "Если бы вы взлетали при таких условиях, ваш желудок точно бы оказался в пятках", — так прокомментировал эти достижения Шварцлендер. Результаты исследования были опубликованы в декабрьском номере журнала Nature Photonics (http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2010.266.html).

Теперь исследователям предстоит проверить, может ли свет поднимать предметы в воздухе. В последующих экспериментах также предполагается использовать материалы с различными коэффициентами отражения и преломления и проверить, как различается подъемная сила, создаваемая световыми пучками с различной длиной волны. На их основе физики планируют сконструировать идеальный "светоподъемник".

Ученые считают, что открытый ими принцип может применяться в приводах микромашин, а также осуществлять направленный транспорт микрочастиц в жидкости. Однако их самая заветная мечта — разработка совершенных солнечных парусов для космических кораблей. (Солнечным парусом называется приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.)

Идея создания таких парусов принадлежит одному из пионеров отечественной космонавтики Фридриху Цандеру, впервые высказавшему ее в 1927 году. Он исходил из того, что частицы солнечного света — фотоны — имеют импульс и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление.

Получается, что если оснастить космический корабль такими приспособлениями, то он сможет дрейфовать в межзвездном пространстве, подталкиваемый светом подобно тому, как скользит фрегат по поверхности моря с помощью ветра.

Впрочем, уже тогда было известно, что давление солнечного света чрезвычайно мало, на Земной орбите оно составляет около 5·10-6 Н/м2. Кроме того, оно уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Поэтому больших скоростей корабль под солнечными парусами вряд ли достигнет (а ведь именно они и являются решающим фактором в межзвездных экспедициях).

Однако солнечный парус совсем не требует ракетного топлива и может действовать в течение почти неограниченного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть вполне оправдано. Например, для того, чтобы выводить летательный аппарат на орбиту планеты, не загрязняя при этом атмосферу. Или для того, чтобы корабль мог выключить двигатели задолго до подлета к требуемому объекту и мягко затормозить, используя солнечные паруса.

Наверное, поэтому эффект солнечного паруса уже использовался несколько раз для проведения малых коррекций орбиты космических аппаратов. Правда, там в роли паруса использовались солнечные батареи или радиаторы системы терморегуляции. И лишь 21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило в космос ракету-носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом. Так в космическое пространство вышел первый аппарат, у которого солнечные паруса были основным двигателем.

Этот солнечный парус был изготовлен из полиамидной пленки толщиной 7,5 мкм и представлял собой четыре лепестка трапециевидной формы. Внутри лепестков были вшиты солнечные батареи и солнечные рули. Раскрытие такого паруса произошло 3 июня нынешнего года за счет вращения "космического парусника" вокруг своей оси со скоростью 20 оборотов в минуту. Под силой инерции четыре грузика вытянули лепестки паруса, и, таким образом, IKAROS стал похож на квадрат стороной 14 метров.

Однако самые первые этапы полета "космического парусника" показали, что руля эта шхуна слушается плоховато. Поэтому Шварцлендер и его коллеги предлагают изменить сам принцип работы парусов — делать их из такого материала, который будет не отражать фотоны, а пропускать их через себя. Тогда угол, под которым свет падает на материал и выходит из него, будет определять направление движение "парусника" и он станет лучше слушаться своих "рулей".

Шварцлендер также утверждает, что в этом случае движением солнечного паруса можно будет полностью управлять в 3D-формате, если использовать два поперечных набора полукруглых стержней. Эта система представляется ему наиболее надежной. Правда, эту идею уже раскритиковал Дин Альхорн, ведущий инженер недавно запущенного экспериментального парусника НАСА. Он считает, что солнечный свет слишком слабый, чтобы осуществить этот проект на практике.

Однако время и эксперименты, как известно, расставят все на свои места и покажут, кто был прав, а кто заблуждался. Пока же ученые всего мира считают, что американцы совершили открытие, сравнимое с тем, что сделали в свое время братья Райт для развития авиации. Хочется, чтобы и эти эксперименты помогли человечеству сделать следующий шаг на пути к звездам…

Антон Евсеев