మెటాసర్ఫేస్ ‘మెటాజెట్లు’ కాంతి పడవలను మలుపు తిప్పడానికి కొత్త మార్గం ఇవ్వవచ్చు

అంతరిక్ష ప్రయాణానికి సంబంధించిన propulsion ఆలోచనకు ఇప్పుడు steering భావన కూడా వచ్చింది

Light sails దీర్ఘకాలంగా అంతరిక్షంలో అత్యంత దూరాలను చేరుకునే ఆకర్షణీయమైన భావనలలో ఒకటిగా ఉన్నాయి. భారమైన propellant తీసుకువెళ్లకుండా, ఒక sail‌ను కాంతి, ముఖ్యంగా శక్తివంతమైన lasers, తో నెట్టవచ్చు. దీని ఆకర్షణ చాలా సులభం: చాలా దీర్ఘ ప్రయాణాల్లో, onboard mass తగ్గించడం అర్థవంతమైన వేగాన్ని పొందడానికి ఉన్న కొద్ది వాస్తవిక మార్గాల్లో ఒకటి కావచ్చు.

సమస్య కేవలం కదలిక మాత్రమే కాదు. అది నియంత్రణ కూడా. నెట్టగల sail ఉపయోగకరం, కానీ దిశ చూపగల sail మరింత విలువైనది. New Scientist నివేదిక ప్రకారం, పరిశోధకులు ఇప్పుడు ఆ లక్ష్యానికి ఒక చిన్న కానీ ముఖ్యమైన అడుగు వేశారు; వారు metajets అనే చిన్న devices‌ను అభివృద్ధి చేశారు, ఇవి కాంతిని కేవలం కదలడానికి మాత్రమే కాకుండా దిశను ప్రభావితం చేయడానికి కూడా ఉపయోగించగలవు.

ఈ పని Texas A&M Universityకి చెందిన Kaushik Kudtarkar సహా పరిశోధకుల నుంచి వచ్చింది. వారి ప్రధాన ఆలోచన ఏమిటంటే, కాంతి reflection ద్వారా momentum బదిలీ చేయడమే కాక మరింత చేయగలదని. కాంతిని జాగ్రత్తగా నియంత్రించిన విధాల్లో refract చేసే structured material‌ను రూపొందించడం ద్వారా, వారు ఒకేసారి ఒకటి కంటే ఎక్కువ దిశల్లో forces సృష్టించగలరు.

Metajet ఎలా పనిచేస్తుంది

రిపోర్ట్‌లో వివరించిన device ఒక metasurface, అంటే కాంతిని manipulate చేయడానికి ఇంజినీర్ చేసిన అత్యంత పలుచని material. ఈ సందర్భంలో, పరిశోధకులు సాధారణ framing‌ను తిరగబెట్టారు. material కాంతిని ఎలా మార్చుతుందో మాత్రమే చూడకుండా, కాంతి material యొక్క motion‌ను ఎలా మార్చుతుందో పరిశీలించారు.

Metajet చిన్న pillars శ్రేణితో texture చేయబడింది. ఆ structures యొక్క పరిమాణం మరియు pattern, incoming light surface గుండా లేదా దానితో పరస్పరచర్యలో ఉన్నప్పుడు అది ఎలా steer అవుతుందో నిర్ణయిస్తుంది. ఈ ప్రక్రియలో momentum మార్పిడి జరుగుతందున, కాంతి మార్గాన్ని మార్చడం material పై పనిచేసే force‌ను కూడా మార్చుతుంది.

అందుకే steering కోసం ఈ concept ఆసక్తికరంగా మారింది. surface geometry వేర్వేరు directional responses‌ను సృష్టించగలిగితే, light-driven object‌ను కేవలం ముందుకు వేగం పెంచడం కంటే ఎక్కువ కోసం రూపకల్పన చేయవచ్చు. conventional moving parts లేకుండానే అది correction, orientation, లేదా maneuvering చేయగలదు.

ఈ device అసాధారణంగా చిన్నది, రిపోర్ట్ ప్రకారం దాని వెడల్పు సుమారు 0.01 millimetres. ఆ స్థాయిలో ఇది ఒక starship sail prototype కాదు. ఇది engineered surfaces illumination‌ను controlled motion‌గా మార్చగలవని చూపించే proof of principle మాత్రమే.

టీమ్ ఏమి చూపించింది

ఈ ఆలోచనను పరీక్షించడానికి, పరిశోధకులు silicon device‌ను నీటిలో ఉంచి, దాని మీద laser వెలుగును ప్రసరింపజేసి microscope కింద దాని movement‌ను ట్రాక్ చేశారు. ఫలితం ఒకేసారి రెండు రకాల కదలిక: metajet levitate కూడా అయింది, horizontal‌గా కూడా కదిలింది. New Scientist ప్రకారం గరిష్ట వేగం సుమారు 0.07 millimetres per second.

ఈ సంఖ్యలు modest అయినా, అవే అసలు కథ కాదు. surface design ద్వారా lift మరియు lateral movement కలయికను సృష్టించగలిగినదే అసలు ప్రాముఖ్యత. వేరే మాటల్లో చెప్పాలంటే, material యొక్క optical properties నుంచే నియంత్రించదగిన ప్రవర్తన వెలువడవచ్చని ఈ experiment చూపిస్తుంది.

Kudtarkar New Scientistతో మాట్లాడుతూ, ఇప్పుడు device‌పై ఉన్న forces అర్థమైనందున, పరిశోధకులు metasurface design‌ను మార్చి దానిని ఏ దిశలో కావాలంటే ఆ దిశలో steer చేయగలరని చెప్పారు. ఇది raw speed figure కంటే ఎక్కువ ప్రాముఖ్యం ఉన్న engineering statement. ఇది ఒకసారి జరిగే effect కాకుండా design space‌ను సూచిస్తుంది.

Light-sail మద్దతుదారులు ఎందుకు గమనించాలి

Light sails‌కు steering ఒక ప్రధాన సవాలు. ఒక craft‌ను విపరీత దూరాలకు పంపడానికి thrust కంటే ఎక్కువ అవసరం. చిన్న orientation errors కూడా కాలక్రమేణా భారీ navigational deviations‌గా మారవచ్చు. ముఖ్యంగా bulky control hardware చేర్చకుండా, light pressure‌కు sail అంచనాగా స్పందించేందుకు సహాయపడే ఏ విధానమైనా ముఖ్యమైనదిగా మారవచ్చు.

రిపోర్ట్ ప్రకారం, కాలక్రమేణా shape మార్చుకోగల metasurfaces ఇప్పటికే ఉన్నాయి. ఆ సామర్థ్యాన్ని light-driven steeringతో కలిపితే, భవిష్యత్తు sails illumination‌కు ఎలా స్పందించాలో active‌గా మార్చుకోగలవు. ఇది acceleration లేదా course correction సమయంలో మరింత ఖచ్చితమైన handling‌కు దారితీయవచ్చు.

నీటిలో చేసిన microscopic demonstration‌కూ పూర్తి స్థాయి space application‌కూ ఇంకా పెద్ద అంతరం ఉంది. Space vacuum conditions, extreme temperature swings, radiation, మరియు దీర్ఘకాల stability అవసరాలను తెస్తుంది. ఆ సమస్యలు పరిష్కారమయ్యాయని వ్యాసం చెప్పడం లేదు. ఇది సూచించేది, structured optical response ద్వారా directional control అనే puzzle‌లో ఒక భాగం ఇప్పుడు మరింత concrete experimental basis‌ను పొందిందని మాత్రమే.

దీని ప్రభావం అంతరిక్షానికే పరిమితం కాదు

పరిశోధకులు కొన్ని biomedical applications‌ను కూడా చూస్తున్నారు. New Scientist ప్రకారం, ఇలాంటి devices ఔషధాలను నిర్దిష్ట ప్రదేశాలకు నెట్టడంలో సహాయపడవచ్చు. కొన్ని సందర్భాల్లో lasers ఇప్పటికే targeted manipulation కోసం ఉపయోగించబడుతున్నాయి, కానీ direct heating సున్నితమైన molecules‌ను దెబ్బతీయవచ్చు. Metajet concept‌లో, direct optical interaction payload మీద కాకుండా structured device మీద ఉంటుంది, కాబట్టి ఆ సమస్య తగ్గవచ్చు.

Advanced materials research‌లో ఈ dual-use స్వభావం సాధారణం. గొప్ప అంతరిక్ష ప్రయాణ లక్ష్యాల సందర్భంలో అభివృద్ధి చేసిన concept, వైద్యం లేదా microscale engineering‌లో కూడా ఉపయోగపడవచ్చు. రెండు సందర్భాల్లోనూ core capability ఒకటే: carefully shaped light-matter interactions‌ను controllable mechanical behavior‌గా మార్చడం.

టీమ్ ఇప్పుడు device‌ను వేర్వేరు wavelengths of light‌తో, ముఖ్యంగా sunlight యొక్క broad spectrum‌తో పనిచేసేలా చేయడానికి చూస్తోంది. ఈ లక్ష్యం ముఖ్యమైనది, ఎందుకంటే ఒక practical light sail ఎప్పుడూ ఒకే highly controlled laser environment‌పై ఆధారపడకపోవచ్చు. Sunlight compatibility future propulsion systems‌కు ఉండే architectures‌ను విస్తరిస్తుంది.

దీనిని వెంటనే interstellar travelగా పొరపాటు పడకూడదు. కానీ పెద్ద ఆలోచనలు ఆధారపడే enabling advance‌లలో ఇది ఒకటి. Spaceflight revolutions control, materials, మరియు energy transfer‌లో వచ్చే చిన్న, నిర్దిష్ట breakthroughs‌తో నిర్మితమవుతాయి. Metajets అలాంటి building blocks‌లో ఒకటిగా ఉండవచ్చు: కాంతితో నెట్టబడే sails కేవలం వేగంగా కాక, steerable‌గా కూడా ఉండే భవిష్యత్తును సూచించే చిన్న నిర్మాణాలు.

• పరిశోధకులు చిన్న metasurface device‌ను నిర్మించారు, అది laser light తాకినప్పుడు levitate అయి horizontally కదలగలదు.
• ఈ ఫలితం light-driven objects‌ను కేవలం ముందుకు నెట్టడమే కాక, దిశ చూపించగలమని సూచిస్తోంది.
• ఈ concept interstellar light sails మరియు targeted biomedical applications రెండింటికీ ఉపయోగపడవచ్చు.

ఈ వ్యాసం New Scientist నివేదికపై ఆధారపడి ఉంది. మూల వ్యాసాన్ని చదవండి.