मेटासर्फेस ‘मेटाजेट्स’ प्रकाश पालांना दिशा देण्याचा नवा मार्ग देऊ शकतात

आंतरतारकीय प्रवासासाठीची propulsion कल्पना आता steering संकल्पनेसह पुढे आली आहे

Light sails दीर्घकाळापासून अंतराळात प्रचंड अंतर पार करण्याच्या सर्वात आकर्षक कल्पनांपैकी एक राहिली आहे. जड propellant घेऊन जाण्याऐवजी, sail ला स्वतः प्रकाशाने, विशेषतः शक्तिशाली lasers ने, ढकलता येऊ शकते. याचे आकर्षण सोपे आहे: अतिशय लांब प्रवासांसाठी, onboard mass कमी करणे ही अर्थपूर्ण वेग मिळवण्याच्या काहीच वास्तववादी मार्गांपैकी एक असू शकते.

समस्या केवळ हालचालीची नव्हती. ती नियंत्रणाचीही होती. ढकलता येणारी sail उपयुक्त आहे, पण दिशा देता येणारी sail अधिक मौल्यवान असते. New Scientist च्या अहवालानुसार, संशोधकांनी आता त्या उद्दिष्टाकडे एक लहान पण लक्षणीय पाऊल उचलले असावे, tiny devices विकसित करून ज्यांना metajets म्हणतात, जे प्रकाशाचा वापर केवळ हालचाल करण्यासाठीच नव्हे तर दिशा प्रभावित करण्यासाठीही करू शकतात.

हे काम Texas A&M University मधील Kaushik Kudtarkar यांच्यासह संशोधकांकडून आले आहे. त्यांची मध्यवर्ती कल्पना अशी की प्रकाश केवळ reflection द्वारे momentum हस्तांतरित करण्यापेक्षा अधिक करू शकतो. प्रकाशाला अतिशय नियंत्रित पद्धतीने refract करणारे structured material डिझाइन करून, ते एकाच वेळी एकापेक्षा अधिक दिशांना forces निर्माण करू शकतात.

Metajet कसे काम करते

रिपोर्टमध्ये वर्णन केलेले device एक metasurface आहे, अत्यंत पातळ material जे प्रकाश manipulate करण्यासाठी engineered केलेले आहे. या प्रकरणात, संशोधकांनी पारंपरिक framing उलटी केली. material प्रकाश कसा बदलतो यावरच लक्ष केंद्रित करण्याऐवजी, त्यांनी प्रकाश material च्या motion ला कसा बदलतो हे पाहिले.

Metajet ला लहान pillars च्या मालिकेने texture केलेले आहे. त्या structures चा आकार आणि pattern incoming light पृष्ठभागातून किंवा त्याच्याशी संपर्क साधताना कसा steer केला जातो हे ठरवतात. या प्रक्रियेत momentum ची देवाणघेवाण होते, म्हणून प्रकाशाचा मार्ग बदलला की material वर लागणारा forceही बदलतो.

म्हणूनच steering साठी ही कल्पना रोचक आहे. जर surface geometry वेगवेगळ्या directional responses तयार करू शकली, तर light-driven object ला फक्त पुढे वेग वाढवण्यापेक्षा अधिकासाठी डिझाइन करता येईल. conventional moving parts शिवाय ते correction, orientation, किंवा maneuvering करू शकेल.

हे device अत्यंत लहान आहे, रिपोर्टनुसार सुमारे 0.01 millimetres across. त्या प्रमाणात, हा प्रयोग starship sail चा prototype नाही. हे proof of principle आहे, जे engineered surfaces illumination ला नियंत्रित motion मध्ये रूपांतरित करू शकतात हे दाखवते.

संशोधकांनी काय दाखवले

कल्पना तपासण्यासाठी, संशोधकांनी silicon device पाण्यात ठेवले आणि microscope खाली त्याच्यावर laser टाकून त्याची हालचाल track केली. परिणाम एकाच वेळी दोन प्रकारच्या हालचालींचा होता: metajet ने levitate केले आणि horizontallyही हालचाल केली. New Scientist च्या अहवालानुसार कमाल वेग सुमारे 0.07 millimetres per second होता.

हे आकडे modest आहेत, पण ती खरी कथा नाही. महत्त्व surface design मधून तयार झालेल्या lift आणि lateral movement च्या संयोजनाचे आहे. दुसऱ्या शब्दांत, प्रयोग दाखवतो की material च्या optical properties मधून नियंत्रित वर्तन निर्माण होऊ शकते.

Kudtarkar यांनी New Scientist ला सांगितले की आता device वर लागू होणारे forces समजल्यामुळे, संशोधक metasurface design बदलून ते हवे त्या दिशेने steer करू शकतात. हे raw speed figure पेक्षा अधिक महत्त्वाचे engineering statement आहे. हे एकदाच होणारा effect नसून design space सूचित करते.

Light-sail समर्थकांनी का लक्ष द्यावे

Light sails साठी steering ही केंद्रीय समस्या आहे. एखाद्या craft ला प्रचंड अंतरावर पाठवण्यासाठी thrust पेक्षा अधिक काही लागते. लहान orientation errors काळानुसार मोठ्या navigational deviations मध्ये बदलू शकतात. विशेषतः bulky control hardware न जोडता sail ला light pressure ला अंदाजे प्रतिसाद देऊ शकेल अशी कोणतीही पद्धत महत्त्वाची ठरू शकते.

रिपोर्टनुसार, काळानुसार shape बदलू शकणाऱ्या metasurfaces आधीपासून अस्तित्वात आहेत. ती क्षमता light-driven steering सोबत जोडली गेली तर, भविष्यातील sails illumination ला कशी प्रतिक्रिया द्यायची हे सक्रियपणे बदलू शकतील. त्यामुळे acceleration किंवा course correction दरम्यान अधिक precise handling शक्य होऊ शकते.

पाण्यातील microscopic demonstration आणि पूर्ण-scale space application यांच्यात अजून मोठी दरी आहे. Space vacuum conditions, extreme temperature swings, radiation, आणि दीर्घकालीन stability ची गरज निर्माण करतो. लेख असा दावा करत नाही की त्या समस्या सुटल्या आहेत. तो फक्त हे सूचित करतो की structured optical response द्वारे directional control या कोड्यातील एक भाग आता अधिक ठोस experimental basis वर आला आहे.

याचे परिणाम अंतराळापलीकडेही आहेत

संशोधकांना काही biomedical applications देखील दिसतात. New Scientist च्या अहवालानुसार, अशा devices मुळे औषधे विशिष्ट ठिकाणी पोहोचवण्यास मदत होऊ शकते. काही संदर्भांमध्ये lasers आधीपासून targeted manipulation साठी वापरले जातात, पण direct heating संवेदनशील molecules चे नुकसान करू शकते. Metajet concept मध्ये direct optical interaction payload वर न होता structured device वर होईल, ज्यामुळे ती अडचण कमी होऊ शकते.

Advanced materials research मध्ये अशी dual-use वैशिष्ट्ये सामान्य आहेत. मोठ्या अंतराळ प्रवासाच्या महत्त्वाकांक्षेतून विकसित झालेली कल्पना वैद्यकीय किंवा microscale engineering मध्येही उपयुक्त ठरू शकते. दोन्ही प्रसंगी core capability एकच आहे: carefully shaped light-matter interactions ला नियंत्रित mechanical behavior मध्ये रूपांतरित करणे.

टीम आता device वेगवेगळ्या wavelengths of light, विशेषतः sunlight च्या broad spectrum, सोबत काम करू शकेल अशी बनवण्याचा प्रयत्न करत आहे. हा उद्देश महत्त्वाचा आहे, कारण एक practical light sail नेहमी एकाच highly controlled laser environment वर अवलंबून राहीलच असे नाही. Sunlight compatibility future propulsion systems साठीच्या संभाव्य architectures वाढवेल.

याला immediate interstellar travel समजणे चुकीचे ठरेल. पण मोठ्या कल्पना ज्या enabling advance वर अवलंबून असतात, त्यातील हे एक आहे. Spaceflight revolutions control, materials, आणि energy transfer मधील लहान, विशिष्ट breakthroughs वर उभ्या राहतात. Metajets अशा building blocks पैकी एक असू शकतात: लहान रचना ज्या अशा भविष्याकडे निर्देश करतात, जिथे प्रकाशाने ढकलल्या जाणाऱ्या sails फक्त वेगवानच नाहीत तर steerableही असतील.

• संशोधकांनी एक छोटे metasurface device तयार केले, जे laser light लागल्यावर levitate करू शकते आणि horizontally हलू शकते.
• हा परिणाम सूचित करतो की light-driven objects ना केवळ ढकलता येणार नाही, तर दिशा देखील देता येईल.
• ही कल्पना interstellar light sails आणि targeted biomedical applications या दोन्हींसाठी महत्त्वाची ठरू शकते.

हा लेख New Scientist च्या रिपोर्टिंगवर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.