Des chercheurs de Tu Delft et de l'Université Brown ont développé des voitures lumineuses basées sur la nanotechnologie évolutive qui pourraient soutenir les progrès futurs de l'exploration spatiale et de la physique expérimentale. Leurs recherches, publiées dans Communications de la natureintroduit de nouveaux matériaux et méthodes de production pour créer les réflecteurs à grande échelle les plus minces jamais fabriqués.
Lightsails sont des structures réfléchissantes ultra-minces qui utilisent une pression de rayonnement entraînée au laser pour propulser les engins spatiaux à grande vitesse. Contrairement à la nanotechnologie conventionnelle, qui miniaturise les dispositifs dans toutes les dimensions, Lightails suivent une approche différente. Ils sont à l'échelle nanométrique en épaisseur – environ 1/1000e l'épaisseur d'un cheveux humains, mais peut s'étendre aux feuilles avec de grandes dimensions.
La fabrication d'une grande queue comme envisagée pour l'initiative Breakthrough Starshot prendrait traditionnellement 15 ans, principalement parce qu'elle est couverte de milliards de trous à l'échelle nanométrique. En utilisant des techniques avancées, l'équipe, y compris le premier auteur et le doctorat. L'étudiant Lucas Norder, a réduit ce processus en une seule journée.
Un nouveau type de nanotechnologie
« Ce n'est pas juste une autre étape pour réduire les choses; c'est une toute nouvelle façon de penser à la nanotechnologie », explique le Dr Richard Norte, professeur agrégé à Tu Delft. « Nous créons des dispositifs de rapport très aspect qui sont plus minces que tout ce qui a précédemment conçu, mais étend des dimensions apparentées à des structures massives. » Le prototype actuel mesure 60 mm x 60 mm et mesure 200 nanomètres d'épaisseur, couvert de milliards de trous nanosisés. Cela représente un pas en avant significatif dans la fabrication de voitures lumineuses à grande échelle.
« D'autres progrès récents sur le terrain, comme de Caltech, ont démontré un contrôle à l'échelle nanométrique sur les structures de voile à des échelles micrométriques, tandis que notre approche évolue vers les structures de la taille d'un centimètre tout en maintenant la fabrication de précision à l'échelle nanométrique. » Si elle est mise à l'échelle, le Lightail fabriqué par Norte et ses collègues s'étendre sur la longueur de sept terrains de football avec une épaisseur de seulement un millimètre.
« Ce n'est pas seulement son rapport d'aspect élevé qui rend ce matériel spécial; c'est la combinaison simultanée de grande échelle et nanométrique dans le même matériau qui le rend léger et réfléchissant », explique Norte.
L'équipe a combiné des techniques d'optimisation de topologie neurale de pointe avec des méthodes de fabrication de pointe pour y parvenir. « Nous avons développé une nouvelle gravure à base de gaz qui nous permet de retirer délicatement le matériau sous les voiles, ne laissant que la voile », explique Norte. « Si les voiles se cassent, c'est probablement pendant la fabrication. Une fois les voiles en suspension, elles sont en fait assez robustes. Ces techniques ont été développées uniquement à Tu Delft. »
« Notre travail combine les dernières progrès de l'optimisation pour explorer de nouvelles façons de trouver des conceptions non intuitives », explique le Dr Miguel Bessa de l'Université Brown. « En mélangeant les réseaux de neurones avec l'optimisation de la topologie, nous avons créé des conceptions qui repoussent les limites de ce qui est possible en nanophotonique et en fabrication à grande échelle. »
Des picomètres aux centimètres en passant par les lumière
Les silers lumineux proposés exploitent la pression de rayonnement entraîné par le laser pour accélérer les vitesses étonnantes, permettant des déplacements interplanétaires rapides. Par exemple, les sondes propulsées par les riches développées pourraient, en théorie, atteindre Mars dans le temps qu'il faut pour que le courrier international arrive.
Bien que de telles distances restent un objectif pour l'avenir, des études récentes ont démontré que des queues lumineuses similaires peuvent actuellement être propulsées sur des distances aussi petites que les picomètres. Norte et son équipe préparent maintenant des expériences pour pousser les nouvelles voiles membranaires à travers les distances mesurées en centimètres contre la gravité de la Terre. « Cela pourrait ne pas sembler beaucoup, mais ce serait 10 milliards de fois plus loin que tout ce qui est poussé avec des lasers jusqu'à présent. »
Un univers de possibilités
Au-delà de l'exploration spatiale, ces matériaux ouvrent de nouvelles possibilités de physique expérimentale. La capacité d'accélérer les masses à des vitesses élevées offre des opportunités sans précédent d'étudier les interactions légères et la physique relativiste à des échelles macroscopiques.
« Cette recherche place Delft à la pointe de la science des matériaux nanométriques », ajoute Norte. «Maintenant que nous pouvons rendre ces riches aussi importantes que les semi-conducteurs peuvent faire des plaquettes, nous explorons ce que nous pouvons faire avec les capacités d'aujourd'hui dans la nanofabrication, les lasers et la conception.
« À certains égards, je pense que cela pourrait être tout aussi excitant que les missions au-delà du système solaire. Ce qui est remarquable pour moi, c'est que la création de ces matériaux optiques minces peut ouvrir une fenêtre sur des questions fondamentales telles que, à quelle vitesse pouvons-nous accélérer réellement un objet. La nanotechnologie derrière cette question est sûre d'ouvrir de nouvelles avenues de recherche intéressante. »
Breadthrough Starshot Initiative
Actuellement, il faudrait environ 10 000 ans pour que nos roquettes les plus rapides atteignent même l'étoile la plus proche à l'extérieur du système solaire. L'initiative Breakthrough Starshot, unissant des milliers de chercheurs, cherche à réduire ce voyage à seulement 20 ans.
En développant un vaisseau spatial ultra-léger et propulsé par le laser de la taille des micropuces, le projet envisage la première exploration interstellaire de l'humanité au-delà du système solaire. Starshot a été lancé par Yuri Milner et Stephen Hawking en 2016.
