一种建立在光而非燃料之上的推进概念
德州农工大学的研究人员正在推进一个听起来像科幻、却建立在熟悉物理原理上的想法：光具有动量，这意味着它可以对物质施加推力。在一项新报告的实验中，团队称他们仅靠激光照射、无需电机、燃料或物理接触，就能利用这种压力让微型装置升起并转向。
这项工作围绕研究人员称为“metajets”的结构展开，它们是由超表面构成的微型装置。超表面是带有纳米级特征图案的超薄材料，能够以精确可控的方式重新定向入射光。当光线发生弯折或散射时，动量会被传递，从而在物体本身上产生大小相等、方向相反的力。实际上，这种结构把表面的几何形状转化成了一种转向和推进机制。
相关发现据称已发表于Newton。尽管实验发生在微观尺度上，研究人员认为，相同的基础物理学最终可能会为先进的航天器推进形式提供思路。这是这项工作的长远愿景，但眼前的成果要朴素得多，也更具体：仅靠光就能控制微小物体的运动。
真正的难点在于控制
光推进的概念并不新鲜。科学家对辐射压力的认识已经超过一个世纪，而包括 NASA 和 JAXA 在内的机构也已经发射过使用阳光提供温和、持续推力的太阳帆航天器。难题从来不只是产生推力，而是在保持稳定性和方向控制的同时产生推力。
在高速或长距离场景下，这一挑战会变得更加严峻。无法转向或稳定的光推进飞行器用途有限。即便是轻微偏差，在行星际或星际航行中也可能被迅速放大。metajets 的前景在于，它们或许能通过工程化的光学响应，而不是机械系统或机载推进剂，来同时塑造推力与控制。
根据对这项工作的描述，研究人员成功地让这些微小装置向多个方向升起并转向。正是这种多方向机动，使该实验不同于单纯的推动。它表明表面图案可以被设计成在照射下产生定制化力响应，让装置不仅能移动，而且能被控制。
从微型装置到深空设想
从微观演示迈向未来航天器之间，还有很长的距离。文章中关于星际飞行的说法显然属于愿景，而非现实操作。没人应把实验室尺度的结果误认为近期开通的运输系统。不过，早期推进研究之所以重要，正是因为它扩大了未来工程师可用的、在物理上可行的控制方法范围。
它也有更近一些的技术含义。如果基于超表面的光控制能够对微小物体产生可预测的力，那么这一概念可能不仅用于航天器。微制造、光学引导机器人以及无接触操控，都是对小尺度精确运动有价值的领域。即使太空飞行的愿景仍很遥远，光学工程本身也可能更快找到实际用途。
这项实验凸显出现代材料科学在多大程度上依赖结构而非仅仅成分。超表面之所以有效，是因为它们的图案化几何能够以块体材料无法实现的方式操控电磁波。这种设计自由正在把表面变成主动光学工具，能够过滤、聚焦、重定向，如今甚至可能推动运动。
对航天领域而言，吸引力显而易见。任何推进系统都会受到必须携带的质量约束，尤其是燃料。依赖外部供光而非机载推进剂的方法，意味着一种完全不同的质量平衡。太阳帆已经朝这个方向迈出一步；metajets 则暗示了一条通往更精细转向和更灵敏控制的路径。
重要的限制在于尺度。辐射压力很弱，要让它变得有用，就需要长时间、高强度光照、极小质量，或者三者兼具。这也是当前工作聚焦于激光照射下的微观结构的原因。要把这些效应转化到更大系统上，将需要材料、光束控制和任务架构方面的重大进展。
即便如此，这一结果仍值得关注，因为它通过现代材料平台重新诠释了一个经典概念。metajet 的思路不是把光压当作粗暴工具，而是把它视为可编程对象。如果这一原理在实验中持续成立，它可能开启一类新的光学运动系统，而它们的首批成功会发生在实验室里，最雄心勃勃的应用则仍在深空之中。
本文基于 New Atlas 的报道。阅读原文。
Originally published on newatlas.com