FOTONSKI POGON

Seminar Ib - 1. letnik, II. stopnja

Avtor: Crt HarejMentor: prof. dr. Simon Sirca

Ljubljana, Maj 2016

Povzetek

Clovestvo ze skoraj 60 let raziskuje in uresnicuje vesoljske polete. V tem obdobju nam je uspelodoseci veliko stvari, vendar smo s trenutnimi pogonskimi zmoznostmi omejeni na raziskovanjevesolja v nasem Osoncju. V seminarju sem predstavil koncept potovanja po vesolju, s katerimbi lahko celo dosegli hitrosti, ki so blizu svetlobne. Najbolj pomembno je pa dejstvo, da so zaizvedbo pogona dosegljivi ze prakticno vsi materiali in celotna tehnologija.

Kazalo

1 Uvod 11.1 Primerjava elektromagnetnega in kemicnega pogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Niz fazno sklopljenih laserjev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Fizika fotonskega pogona 32.1 Nerelativisticna resitev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Relativisticna resitev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Fotonski pogon 73.1 Laserski (vlakenski) ojacevalnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Niz fazno sklopljenih laserjev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4 Plovilo v obliki rezinice 94.1 Lasersko jadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.2 Masa jadra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.3 Sestava jadra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.3.1 Vecplastni dielektrik na metaliziranem plasticnem filmu . . . . . . . . . . . . . 104.3.2 Vecplastni dielektrik na metaliziranem steklu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.3.3 Vecplastni dielektrik na steklu brez kovin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.4 Stabilnost jadra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5 Zakljucek 11

1 Uvod

Slika 1: Umetniska upodobitev plovila na laserskipogon [1].

Ko je clovestvo leta 1961 poslalo v vesolje prvoclovesko posadko in osem let kasneje ”osvo-jilo” Luno, se je zacelo obdobje vesoljskih pole-tov. Clovek namrec hoce zaradi radovednosti inzelje po napredku vedno znova premakniti mejemoznega ter prekasati samega sebe.Vesoljski poleti so se nadaljevali, vendar kajkmalu smo spoznali, da prav dalec na ta nacinne bomo prisli. Plovilo, ki ga je izdelal clovekin je prislo od vseh najdlje, je trenutno (in boverjetno se nekaj casa) Voyager 1. Izstrelili soga leta 1977 in je po 39 letih s hitrostjo 17 km/soz. manj kot 0.006% svetlobne hitrosti zapustilnase Osoncje ter se podal na pot v medzvezdniprostor. Kljub temu, da se to slisi impresivno,bi s to hitrostjo potreboval se vsaj nadaljnih 76tisoc let da bi dosegel najblizjo zvezdo (Alfa Kentavra). Iz tega razloga je clovek razmeroma hitrozacel iskati nove ideje za drugacne pogone, ki bi ga bolj priblizali najblizjim zvezdam. Prednostfotonskega oz laserskega pogona, ki ga opisujem v seminarju, je v tem, da v primerjavi z ostalimi”eksoticnimi” idejami, kot so ”warp drive”, nuklearni pulzni pogon, fuzijski pogon ali pa pogon naantisnov, tehnologija ze obstaja, potrebno je le skupaj sestaviti dele sestavljanke.

1

Koncept fotonskega pogona temelji na nedavnem napredku na podrocju tehnologije usmerjene en-ergije, ki je izredno aplikativna, tudi v primeru fotonskega pogona. Predlog vkljucuje pogon v oblikilaserja, s katerim bi ciljali laserska jadra miniaturnih sond v obliki rezinice za raziskovanje medzved-nega prostora. Velika prednost laserja, ki sem ga opisal v nadaljevanju, je v tem, da ga lahkosproti nadgrajujemo, zaradi cesar bi lahko s casom laser nadgradili do te mere, da bi v vesolje lahkoposiljali tudi ljudi. Laser bi lahko zaradi natancnosti in moci uporabljali tudi v druge namene, kotso odstranjevanje vesoljskih odpadkov, obramba planeta pred vecjimi kometi itd.

1.1 Primerjava elektromagnetnega in kemicnega pogona

Ce primerjamo hitrosti, ki smo jih dosegli pri pospesevanju makroskopskih in mikroskopskih del-cev, opazimo ocitno razliko. Ocitno lahko s pomocjo elektromagnetnega pospesevanja ustvarimovisokorelativisticne sisteme, vendar le na podrocju podatomskih delcev. Sistemi, ki jih lahko upora-bimo, morajo biti makroskopski, saj trenutno se ne poznamo tehnologije, ki bi nam omogocala, damakroskopske predmete razstavimo na mikroskopske delce, jih posljemo na zeljeno lokacijo, kjer bise delci sami ponovno sestavili. Kemijski pogoni imajo veliko omejitev, med kljucne sodi energijavezi molekul, ki je vir kineticne energije. Le ta je tipicno velikosti 1 eV na vez na molekulo. Dabi lahko dosegli relativisticne hitrosti bi potrebovali nekaj GeV na vez, kar je veliko vec, kot lahkokemicne reakcije omogocijo. Ilustrativna primerjava je prikazana na Sliki 2.

Slika 2: Delez hitrosti svetlobe, ki jo je dosegel cloveks pospesevanjem podatomskih delcev do makroskop-skih objektov.

V seminarju predstavljam idejo kako bi lahkoelektromagnetno pospesili tudi makroskopskepredmete. Uporaba konvencionalnih pospesevalnikovni najbolj primerna, saj lahko pospesujemole nabite delce. Pospesevanje makroskopskih,elektricno nevtralnih predmetov bi lahkodosegli s koncentriranim svetlobnim izviromin sicer preko prenosa gibalne kolicine fotonovna predmet (odboja svetlobe). To prinasa do-datne pozitivne in negativne posledice. Nata nacin mocno znizamo maso sistema, sajlaserski pogon zaradi narave pospesevanjane potuje s predmetom, kar mocno zmanjsamaso plovila, vendar hkrati na ta nacinplovilu zmanjsamo ali celo v celoti odvza-memo moznost manevriranja (odvisno od za-snove sistema) potem, ko ga pospesimo. Idejav tej smeri ni nova, je pa tehnologija us-merjene energija nedavno toliko napredovala,da je sedaj mogoce take sisteme zgradititer pospesiti makroskopske objekte do rela-tivisticnih hitrosti.

1.2 Niz fazno sklopljenih laserjev

Kljucni del je zmoznost da lahko zgradimo fotonski pogon. Poleg tega bo potrebno nekaj naporavloziti tudi v izgradnjo vesoljske sonde z ultranizko maso. Problem, ki ga predstavlja izgradnja enegaizredno mocnega laserja, sposobnega pospesevanja makroskopskih predmetov, resimo z izgradnjo niza

2

fazno sklopljenih laserjev.Celoten niz napaja en semenski laser (Slika 3). Ta proizvede koherenten svtlobni tok, ki ga razdelimona vec fazno sklopljenih tokov in jih ojacamo z zmerno mocnimi (nekaj kW) laserskimi ojacevalniki.Svetlobne tokove vseh laserjev nato zdruzimo v zelo ojacan zarek. Z natancnim pozicioniranjemopticnih vlaken pred zruzitvijo ter modulacijo faze posameznih tokov lahko dosezemo poljubno kon-struktivno oz. destruktivno interferenco snopov. Opisani pristop nam omogoci, da konvencionalnooptiko zamenjamo s faznim nizom majhnih in tankih opticnih elementov. Za celovit, samozadostenfotonski sistem lahko energijo zagotavljamo s pomocjo soncnih celic reda velikosti niza laserjev.Tehnoloski razvoj v zadnjem casu temelji na odprtih, sklopljenih sistemih, saj imajo zaprti sistemiz enim samim, mocnim clenom velikokrat tehnoloske in fizikalne prepreke. Izkaze se tudi, da sosestavljeni sistemi velikokrat cenovno ugodnejsi in dopuscajo moznost nadgrajevanja.

Slika 3: Shematski prikaz pogona iz niza fazno sklopljenih laserjev. Meritve valovne fronte ternatancna umerjenost sistema so kljucni za produkcijo koncnega zarka [1].

2 Fizika fotonskega pogona

2.1 Nerelativisticna resitev

Pri izracunih predpostavimo, da opticna vlakna, ki sestavljajo koncni zarek, razporedimo v kvadrats stranico d, kar si lahko predstavljamo kot sipanje svetlobe na uklonski mrezici. Kvaliteta zarka, jev tem primeru omejena samo z uklonom, uklonski kot sipane svetlobe na uklonski mrezici, pa lahkozapisemo kot: θ = 2λ

d. Laser osvetljuje kvadratno lasersko jadro s stranico D. Iz teh dveh podatkov

lahko izracunamo pri kateri razdalji je velikost zarka enaka velikosti jadra:

L0 =dD

2λ. (1)

Celotno moc laserja oznacimo s P0, odbojnost jadra pa z εr. Celotna teza plovila je masa tovora termasa jadra, ki je odvisna od debeline h ter gostote ρ (m = m0 +D2hρ). Sila laserja na jadro v temprimeru je:

F =P0(1 + εr)

c, (2)

3

pri cemer je c hitrost svetlobe. Pospesek dobimo, ce silo delimo z maso a = F/m. Iz podanega lahkohitro izracunamo hitrost plovila pri kateri je sirina laserskega zarka enaka sirini jadra:

v0 =

(P0(1 + εr)dD

cλ(D2hρ+m0

)1/2

(3)

S pomocjo kineticne energije lahko tudi izracunamo, da se po tem hitrost spreminja le se kot:

v(L) = v0

√2− L0

L→ v∞ =

√2v0 (4)

Cas najvecjega pospesevanja, ki traja, dokler sirina zarka ni enaka sirini jadra, izracunamo kot:

t0 =v0a

=

(cdD(D2hρ+m0)

P0(1 + εr)λ

)1/2

. (5)

Ce enacbo (3) odvajamo po m0, da poiscemo maksimum hitrosti v odvisnosti od mase jadra oz.tovora, ugotovimo, da je hitrost najvecja, ko je masa tovora enaka masi jadra. Na ta nacin lahkodolocimo velikost jadra glede na to, kaksna je teza tovora:

D =

√m0

hρ. (6)

Enacbi za hitrost (3) in cas (5) lahko z upostevanjem (6) tako zapisemo kot:

v∞M =

(P0(1 + εr)d

cλ

)1/2

(hρm0)−1/4 t0M =

(2cd

P0(1 + εr)λ

)1/2(m3

0

hρ

)1/4

. (7)

Ucinkovitost procesa locimo na trenutno in celotno. Nerelativisticno (β � 1) lahko trenutnoucinkovitost zapisemo kot:

εt = β(1 + εr), (8)

kjer je v = βc trenutna hitrost plovila. Celotno ucinkovitost dobimo z integracijo po casu, kar namda εcel = 1

2εt. Ce upostevamo, da je refleksivnost blizu 1, lahko celotno ucinkovitost zapisemo kot

εcel = β. Pri upostevanju relativisticnih popravkov lahko postane ucinkovitost tudi precej vecja.Rezultati so prikazani na Slikah 4 in 5. Trenutni odsevniki (zrcala), primerni za laserska jadra,dosegajo debeline do 1 µm, kar sem tudi predpostavil kot debelino jadra pri mojih izracunih. Gostotajader je za vsa jadra precej podobna in sicer ρ = 1400 kg/m3. Kot opazimo, je bistveno to, da lahkopoganjamo plovila velikosti rezinice, do mas 105 kg in vec, pri cemer se seveda spreminja koncnahitrost. Pomembno se je zavedati, kako se kolicine med seboj skalirajo. Koncna hitrost se torejspreminja kot: P

1/20 , d1/2, h−1/4, ρ−1/4 in m

−1/40 . Vidimo, da je hitrost relativno blaga odvisnost teze

tovora ∼ m−1/40 , kar je posledica tega, da z narascanjem mase tovora narasca tudi velikost jadra.

2.2 Relativisticna resitev

Relativisticno resitev parametriziramo z dvema parametra, in sicer z β in in γ = (1 − β2)−1/2.Relativisticno silo in kineticno energijo zapisemo kot:

F =P0(1 + εr)

γc, T = mc2(γ − 1). (9)

4

Sila je odvod gibalne kolicine p = m0vγ. Ce oboje razpisemo, dobimo enacbo:

P0(1 + εr)

γc= m0

(dγ

dvv + γ

)dv

dt, (10)

ki jo lahko integriramo in dobimo koncni rezultat:

t =m0c

2

2P0(1 + εr)

(βγ2 + tanh−1 β

). (11)

Iz tega lahko dobimo razdaljo preko zveze dLdβ

dβdt

= βc:

L =m0c

3

2P0(1 + εr)β2γ2. (12)

Pri relativisticnih hitrostih moramo upostevati se Dopplerjev pojav, ki povzroci da se valovne dolzineza opazovalca na plovilu podaljsajo. Na sliki 6 je prikazano, kaksen ucinek ima na rezultat rela-tivisticni racun. Ce za izracun prepotovane poti, ki jo prepotuje plovilo do hitrosti β ∼ 0.1, upora-bimo nerelativisticen racun, je napaka dobljene poti, v primerjavi z relativisticnim racunom, manjsaod 1%, kar je za nase potrebe dovolj. Na sliki 7 sta prikazani casovni odvisnosti hitrosti, ki jo dosezeplovilo, in poti, ki jo plovilo prepotuje v dolocenem casu. Pri tem je privzeto da sirina laserja nikolini sirsa od jadra, torej da je ves cas pospesevanje maksimalno.

Hitrost v odvisnosti od mase plovila Hitrost v odvisnosti od moci laserja

Slika 4: Levo: Optimizirana hitrost (masa tovora enaka masi jadra) in delez svetlobne hitrosti β vodvisnosti od mase tovora za zelo razlicne velikosti niza laserjev ter skupne moci laserjev. Desno:Hitrost in delez svetlobne hitrosti β v odvisnosti od skupne moci laserjev za razlicne velikosti jadra,ce je velikost niza laserjev 1 m ter imamo le jadro brez tovora.

5

Razdalja do najvecjega pospesevanja ( doL = L0 ) v odvisnosti od velikosti jadra

Cas najvecjega pospesevanja ( do L = L0 ) vodvisnosti od moci laserja

Slika 5: Levo: Razdalja, do katere je pospesevanje plovila se najvecje, torej dokler je sirina laserskegazarka se manjsa od sirine jadra, v odvisnosti od velikosti jadra, za razlicne velikosti niza laserjev.Desno: Cas, do katerega je sirina laserskega zarka manjsa od sirine jadra, v odvisnsosti od mocilaserja.

Kineticna energija v odvisnosti od hitrosti plovilaRelativna napaka poti v odvisnsoti od hitrosti

plovila

Slika 6: Levo: Kineticna energija na kilogram, ki jo je potrebno dovesti, da plovilo pospesimo nadoloceno hitrost v nerelativisticnem in v relativisticnem primeru. Desno: Relativna napaka poti medrelativisticnim in nerelativisticnim izracunom od hitrosti potovanja.

6

Slika 7: Levo: Odvisnost hitrosti od casa po izstrelitvi za razlicne vrednosti razmerja med masoplovila in mocjo laserja. Desno: Odvisnost poti od casa po izstrelitvi za razlicne vrednosti razmerjamed maso plovila in mocjo laserja.

3 Fotonski pogon

3.1 Laserski (vlakenski) ojacevalnik

Slika 8: Slika 1-3 kWlaserskega ojacevalnikarazreda Yb, ki je temeljnielement predloga. Masaojacevalnika je okrog 5 kg,velikost pa primerljiva listuA4 [1].

Princip delovanja laserskih ojacevalnikov lahko opisemo v nekajstavkih. Osnovna elementa laserskega ojacevalnika sta dva. Prvi, jez iterbijem (ali katerim drugim elementom) dopiran opticni vodnik.Pomembno je, da ima dopiran material zelo izrazit prehod iz vzbu-jenega stanja, ki se po energiji (valovni dolzini oddanega fotona) raz-likuje od energije potebne za vzbujanje. Pri tem se, zaradi preprosteelektronske strukture, zelo dobro odreze iterbijev +3 ion. Opticnivodnik naredimo tako, da iterbijev ion dopiramo v silicijevo jedrovodnika. Poleg opticnega vodnika potrebujemo se lasersko crpalko.Laserska crpalka je v osnovi obicajen laser, katerega osnovna nalogaje, da prenasa energijo iz zunanjega vira v vodnik. Nacrpana svet-loba ima tako valovno dolzino, da dopirane ione v vodniku spraviv vzbujeno stanje (od 900 nm do 1000 nm), vendar se razlikuje odvalovne dolzine laserja, ki ga zelimo ojacati (1060 nm do 1120 nm).Trenutku, ko je stevilo delcev v vzbujenem stanju vecje, kot stevilodelcev v osnovnem, pravimo inverz populacije in je pomembna spre-memba, saj omogoci stimulirano emisijo le-ta pa povzroci ojacanjesignala. Stimulirana emisija je proces pri katerem vstopni foton povzroci prehod atoma iz vzbujenegav osnovno stanje. Pri tem atom odda nov foton z enako fazo, energijo, polarizacijo in smerjo kot jihima vzbujevalni foton. Predlog fotonskega pogona predvideva laser z valovno dolzino 1064 nm.Tehnologija na tem podrocju napreduje po Moorovem zakonu. Nedavni napredek nam omogoca, da

7

lahko zgradimo niz fazno sklopljenih laserjev (fotonski pogon), ki ze dosega okrog 50% pretvorboelektricne energije v svetlobo. Trenutno razmerje moci, ki jo pridobimo z ojacevalnikom, na masoojacevalnika je okrog 0.2 kg/kW. Ojacevalnik sam pa je velikosti klasicnega zvezka. Obstajajo zeideje, kako povecati to razmerje na 1 kg/kW v naslednjih 5-10 letih in na 10 kg/kW v naslednjih20 letih, vendar ze s trenutnimi specifikacijami zadostuje. Zaradi fazne sklopljenosti lahko sistemsimultano producira vec locenih zarkov in je tako sposoben vecopravilnosti, kar lahko mocno znizaceno posameznega poleta.

3.2 Niz fazno sklopljenih laserjev

Valovna dolzina laserja (1064 nm) je tako izbrana iz vec razlogov. Kot je razvidno iz enacbe zakoncno hitrost (3), mora biti valovna dolzina cim manjsa (manjsi uklon). Na spodnji meji, pavalovno dolzino omejujejo tako ojacevalniki signala, kot tudi odbojnost in absorbcija, ki sta pripriblizno 1 µm najugodnejsi. Laserji imajo pri valovnih dolzinah 1 µm ucinkovitost okrog 40%, ki sebo verjetno v naslednjih letih povecala na 70%.Spektralna sirina posameznih zarkov pred zdruzitvijo (spekter valovnih dolzin) mora biti cim ozja,da lahko s pomocjo mikro opticnih elementov, ki spreminjajo relativno fazno razliko med zarki,ustvarimo zeljene porazdelitve moci koncnega, zdruzenega zarka. Dosedanji sistemi imajo sirine crtpod 340 kHz, kar predstavlja relativno napako okrog 10−9.Na sliki 9 je prikazana prostorska porazdelitev koncnega zarka niza fazno sklopljenih laserjev s stirimielementi. Na levi sliki je faza vseh elementov enaka, zaradi cesar je prostorska porazdelitev mocizarka nefokusirana in je vrh toka okrog 1.8 MW/m2. Kot vidimo na desni sliki, lahko s primernimifaznimi zamiki med laserji, dosezemo fokusirano porazdelitev moci, ki v danem primeru vrh dosezepri 5.6 MW/m2.

Slika 9: Prostorska porazdelitev moci koncnega zarka za niz stirih fazno sklopljenih laserjev.Levo: Faza laserjev je enaka, zaradi cesar je porazdelitev moci ”nekombinirana” (maksimalni tok1.8 MW/m2). Desno: Z modulacijo faze lahko dosezemo kombiniranje toka preko konstruktivnih indestruktivnih interferenc (maksimalni tok 5.81 MW/m2) [3].

Izredno pomemben element za izgradnjo delujocega sistema so natancni merilni sistemi in vecnivojskipovratni sistemi, ki dovolj hitro spreminjajo fazne razlike med zarki, ko je to potrebno. Tudi na tempodrocju je nedavni napredkek pripomogel k nizji ceni merilnih sistemov na nivoju nanometra (faznerazlike ter pozicioniranje opticnih kablov). Najvec dela bo potrebno vloziti v preproste radiatorje, kioddajajo prekomerno toploto nastalo zaradi neidealnega laserja (ucinkovitost pretvorbe energije ni

8

100%), saj trenutno predstavljajo najtezji del laserja (25 kg/kW). Napredek v ucinkovitosti laserjevbo zmanjsal potrebno maso radiatorjev.

4 Plovilo v obliki rezinice

Slika 10: Umetniska up-odobitev plovila v oblikirezinice [1].

V primeru sonde, plovila brez posadke, nujno potrebujemo lelasersko jadro in merilne sisteme. Razvoj na podrocju nano inmikrotehnologije nam sedaj omogoca, da lahko vse sisteme inte-griramo v jadro. Poleg tega ima lahko sistem celo termoelektrcinigenerator na radioaktivne izotope ali beta pretvornike (elektriko pri-dobivamo iz radioaktivnih virov beta delcev - elektronov). V kombi-naciji z majhnimi fotonskimi pogoni (vtkanimi LED diodami/laserji)lahko sondi dodamo tudi sposobnost prilagajanja smeri gibanja. Po-leg tega lahko energijo izkoriscamo tudi neposredno iz laserja, kije dober vir tudi se pri velikih oddaljenostih. Uporaba pogonskegalaserja in odbite svetlobe za komunikacijo, bi zelo povecala uporab-nost sistema, vendar s sabo prinese veliko izzivov. Kljub vsemu bibila uporabnost samooskrbnega sistema prakticno neskoncna.

4.1 Lasersko jadro

Slika 11: Masa jadra v odvisnosti od velikosti jadra, pricemer je predpostavljeno, da je jadro kvadratno, za razlicnedebeline jadra.

Laserska jadra so konceptualno zelopodobna soncnim jadrom, vendar sev nekaterih stvareh precej razlikujejo.Bistvena razlika pride zaradi dejstva,da lahko v primeru majhnih jaderenergijski tokovi kaj hitro presezejo100 MW/m2, kar je primerljivo stokom 105 energijskega toka Sonca naZemlji. To ustvari zahtevo po tem,da morajo imeti laserksa jadra odbo-jnost prakticno 1. Pri konstruiranjutakega materiala nam pomaga dejstvo,da ima laser zelo ozko spektralno crto,kar omogoci, da absorbcijo materi-ala minimiziramo le na tem podrocjuspektra. Relativisticni efekti pri tem sicer predstavljajo problem, saj se pri velikih hitrostih valovnadolzina zamakne pri jadru.Tok fotonov na jadru, pri cemer upostevamo optimizirano velikost jadra D =

√m0/hρ, lahko

zapisemo kot:

j = P0hρ

m0

. (13)

Kot vidimo, se zaradi manjse mase tovora poveca tok fotonov, ki ga mora vzdrzati jadro. V izracunihsem poleg tega ves cas uposteval se, da jadro svetlobe ne prepusca oz. da absorbira vse neodbitefotone. V primeru, da upostevamo tudi prepustnost jadra, silo laserja nanj zapisemo z uporabo

9

absorbcijskega koeficienta jadra α kot:

F =dp

dt=P0

c(2εr + (1− εr)α)

α=1=P0(1 + εr)

c, (14)

4.2 Masa jadra

Kot ze omenjeno, so debeline odsevnikov primernih za jadra med 1 µm in 10 µm. V prihodnosti bi selahko ta debelina se veliko zmanjsala, kar bi nam omogocilo vecje hitrosti plovil ter posledicno daljsapotovanja. Pri tem se je pomembno zavedati, da je koncna hitrost, ki jo lahko dosezemo z danimipogoji, le blago odvisna od debeline jadra (posledicno tudi njene mase) in sicer: v∞M ∝ h−1/4.

4.3 Sestava jadra

4.3.1 Vecplastni dielektrik na metaliziranem plasticnem filmu

Prednost plasticnih filmov je v tem, da imajo manjso gostoto od steklenih (ρplastika = 1400 kg/m3,ρsteklo = 2520 kg/m3). Z dodanimi kovinami ter vecplastnim dielektrikom lahko dosezemo odbojnostiokrog 99.995%. Odbojnost takih jader je natancno umerjena na ozko lasersko crto (v nasem primeru1064 nm) in ni primerna kot jadro na soncne zarke, ki so porazdeljeni po sirsem spektru. Material jeprimeren za jadra, ki so vecja od 100 m2, saj ne prenese velikih tokov je pa po drugi strani razmeromaenostaven za izdelavo v vecjih merilih. Odvisnost absorbcije je prikazana na Sliki 12 levo.

4.3.2 Vecplastni dielektrik na metaliziranem steklu

Laserski premazi na metaliziranem steklu lahko dosezejo absorbcijo, manjso od 10−5, oz. odbojnost99.999%. Odvisnost odbojnosti od valovne dolzine je prikazana na Sliki 12 desno. Vidimo, da jetako v primeru plasticnega filma (levo) kot stekla (desno) absorbcija najmanjsa (odbojnost najvecja)ravno v predelu okrog laserske crte. Najvec absorbcije se v obeh primerih zgodi v plasti kovine.

4.3.3 Vecplastni dielektrik na steklu brez kovin

V primeru izjemno velikih energijskih tokov, kot bi jih imeli v primeru manjsih sond, so tokovi takoveliki, da postane izdelava jader z dodanimi kovinami, ki bi imeli dovolj veliko obojnost, zelo tezka.Tezava je v tem, da kovinska podstruktura ni dovolj odbojna, zaradi cesar temperatura jadra prehitronarasca, pri cemer toplote ne moramo dovolj hitro odvajati in jadro ”izhlapi”. Ena izmed resitev jeta, da odstranimo kovine in uporabimo cisti dielektrik. Stekla, ki jih uporabljamo v optiki vlakenin opticnih komunikacijah, imajo ekstremno majhno absorpcijo, ≈ 10−9 na mikron debeline. Cepravimajo stekla manjso odbojnost, so se vedno primerna. Pri tem se pojavi se dodaten problem, damorajo biti debeline takih jader precej vecje (reda ≈ cm). Steklo ZBLAN debeline 1 cm ima naprimer absorbcijo 2 · 10−7 pri valovni dolzini 1.06 µm.

4.4 Stabilnost jadra

Glavni problem celotnega projekta tici v stabilnosti jadra. V primeru tako hitrega pospesevanjaimamo namrec veliko preturbativnih efektov. Ti vkljucujejo nestabilnost laserja in laserskih nacinov,razlicne sile na jadro in mehanski nacini jadra, pregrevanje jadra in natancnost laserskega ciljanja.To je precej kompleksen nabor problemov, ki mu bo potrebno posvetiti se veliko casa in raziskav.Resitve teh problemov so naprimer v vrtenju jadra okrog osi ter oblikovanje jadra v nekoliko kotno

10

obliko. Poleg tega bi verjetno laserski nacin zarka, pri katerem je v sredini minimum odpravil manjseperturbacije in samostabiliziral jadro.

Slika 12: Levo: Odvisnost absorbcije svetlobe od njene valovne dolzine za vecplastni dielektriknanesen na plasticni film. Desno: Odvisnost odbojsnosti svetlobe od njene valovne dolzine zavecplastni dielektrik nanesen na ultra-tanko steklo [1].

5 Zakljucek

Sistem, ki sem ga opisal, ponuja ucinkovito resitev na podrocju medzvezdnih potovanj, katere bistvendel je niz sklopljenih laserjev prilagodljive velikosti. V koncni obliki bi bil niz s trenutnimi zmoznostmivelikosti 10 km ter produciral moc okrog 70 GW. V primeru da imamo sondo s tezo 10 g, bi bilavelikost jadra 2.7 m. Tako plovilo bi doseglo hitrost β = 0.11. Po drugi strani bi plovilo teze 10·103 kgimelo 2.7 km velik odbojnik in bi doseglo hitrost β = 0.0036. Za izdelavo funkcionalnega sistema bopotrebno se veliko razvoja ter raziskav, vendar je, ce potegnemo crto projekt izvedljiv. Na ta nacinbi izredno zmanjsali stroske posiljanja sond v vesolje, poleg tega bi proces tudi zelo pohitrili, saj binam omogocal posiljanje na stotine relativisticnih sond na dan.

Viri in Literatura

[1] Lubin, P. ”A Roadmap to Interstellar Flight”, Journal of the British Interplanetary Society (JBIS) (Apr, 2016)

[2] Lubin, P., Hughes, G.B.J., Bible, J, Johansson Hummelgard, I., “Directed Energy for Planetary Defense andexploRation - Applications to Relativistic Propulsion and Interstellar Communications” edited by Gerald Cleaver- Journal of the British Interplanetary Society (JBIS) ( in press 2015)

[3] Hughes, G.B., Lubin, P., Bible, J., Bublitz, J., Arriola, J., Motta, C., Suen, J., Johansson, I., Riley, J., Sarvian,N., Wu, J., Milich, A., Oleson, M., and Pryor, M. “DE-STAR: phased-array laser technology for planetary defenseand other scientific purposes (Keynote Paper),” Nanophotonics and Macrophotonics for Space Environments VII,edited by Edward W. Taylor, David A. Cardimona, Proc. of SPIE Vol. 8876, 88760J (Aug, 2013).

[4] Bible, J., Bublitz, J., Johansson, I., Hughes, G.B., and Lubin, P. “Relativistic Propulsion Using Directed En-ergy,” Nanophotonics and Macrophotonics for Space Environments VII, edited by Edward W. Taylor, David A.Cardimona, Proc. of SPIE Vol. 8876, 887605 (2013)

11