在人類探索宇宙的征途上，一項革命性的技術(shù)突破正引領(lǐng)我們向星際旅行邁出關(guān)鍵一步。美國布朗大學(xué)與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)攜手，通過結(jié)合超薄高反射率材料和人工智能優(yōu)化的納米級設(shè)計，成功開發(fā)出一種新型光帆，不僅大幅降低了制造成本，還加速了生產(chǎn)流程。
自上世紀(jì)70年代“旅行者1號”探測器發(fā)射以來，人類探索宇宙的腳步雖已遠(yuǎn)超預(yù)期，但仍未觸及距太陽最近的恒星半人馬座α星。為了實現(xiàn)人類有生之年內(nèi)的星際旅行夢想，航天器的速度必須實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。而光帆，這一利用光壓推動前行的創(chuàng)新技術(shù)，成為了縮短星際旅行時間的關(guān)鍵。
新型光帆的設(shè)計靈感源自自然界中的帆船，通過反射太陽光產(chǎn)生推力。布朗大學(xué)與代爾夫特理工大學(xué)的研究團(tuán)隊，采用了一種直徑60毫米、厚度僅200納米的超薄薄膜，其表面布滿了數(shù)十億個納米級小孔，這些設(shè)計不僅減輕了重量，還顯著提高了反射率，從而增強了光帆的推進(jìn)效率。
該項目的成功，是布朗大學(xué)理論家與代爾夫特理工大學(xué)實驗家緊密合作的成果。他們共同設(shè)計、制造并測試了這一高反射率光帆，其縱橫比之大，前所未有。代爾夫特理工大學(xué)的副教授理查德·諾特與布朗大學(xué)工程學(xué)院的副教授米格爾·貝薩共同領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。諾特的團(tuán)隊在制造工藝上取得了突破性進(jìn)展，使得光帆的尺寸能夠擴展到星際旅行所需的級別，且成本可控。而貝薩的團(tuán)隊則利用他們新開發(fā)的人工智能方法，優(yōu)化了光帆表面的納米級孔洞設(shè)計，進(jìn)一步提高了反射率和減重效果。
在材料選擇上，研究團(tuán)隊采用了輕質(zhì)且高強度的硅氮化物，這種材料非常適合用于光帆的制造。為了最大化反射率并減輕重量，他們設(shè)計了一種獨特的納米級孔洞圖案，這些孔洞直徑小于光波長，能夠高效地反射太陽光。通過人工智能的優(yōu)化，貝薩的團(tuán)隊確定了孔洞的最佳形狀和位置，從而實現(xiàn)了反射率和重量的雙重優(yōu)化。
一旦優(yōu)化設(shè)計確定，諾特的團(tuán)隊便開始在實驗室中制造這種新型光帆。他們開發(fā)了一種新的氣體蝕刻技術(shù)，能夠精確地去除帆下的材料，僅留下光帆本身。這種技術(shù)不僅提高了制造效率，還大幅降低了成本。據(jù)研究人員介紹，使用傳統(tǒng)方法制造這種光帆將耗費昂貴且耗時長達(dá)15年，而采用諾特的技術(shù)，制造過程僅需一天時間，成本降低了數(shù)千倍。
新型光帆的成功開發(fā)，為實現(xiàn)“突破攝星”計劃的目標(biāo)提供了重要支持。該計劃旨在利用地面激光為攜帶微型芯片航天器的數(shù)百個米級光帆提供動力，從而加速星際旅行的進(jìn)程。研究人員表示，這種新型光帆設(shè)計不僅易于擴展到米級尺寸，而且成本可控，有望在未來星際任務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
這一研究還推動了納米級工程的發(fā)展。研究團(tuán)隊在開發(fā)過程中使用的新機器學(xué)習(xí)和優(yōu)化技術(shù)具有廣泛的通用性，可以用于創(chuàng)造許多不同用途的物品。貝薩表示：“這真的只是一個開始。我們可能正處于解決迄今為止一直無法解決的工程問題的邊緣?！?/p>
