AI-optimerede lyssejl kan bane vej for interstellare sonder

Hvad nu, hvis et sejl kunne udnytte lys på samme måde, som en sejlbåd udnytter vinden? Princippet er fysisk muligt, og årtiers forskning har bragt det tættere på praktiske forsøg. Nye metoder, hvor kunstig intelligens optimerer designet, kan gøre lyssejl mere anvendelige til små sonder i det dybe rum.

Hvad er lyssejl? En mulig fremdriftsteknologi til det dybe rum

Når man forestiller sig rejser i det dybe rum, tænker man ofte på raketter eller ionmotorer. Et lyssejl fungerer anderledes: lys overfører en lille impuls til en meget tynd, reflekterende overflade og skaber derved fremdrift.

Idéen om at bruge lys til at drive et fartøj frem går mindst tilbage til 1608, hvor Johannes Kepler og Galileo Galilei diskuterede fænomenet bag komethaler.

Kepler bemærkede, at en komets hale peger væk fra Solen. Observationen gav anledning til tanken om, at solstråling en dag kunne bruges til at flytte genstande gennem rummet.

Det første fungerende lyssejl i rummet i 2019

I 2019 blev et fungerende lyssejl foldet ud på et rumfartøj og brugt til at ændre dets bane. Tidligere forsøg havde haft problemer med udfoldningen. Missionen viste, at princippet kunne fungere uden for laboratoriet.

Hvordan fungerer lyssejl?

Lyssejl findes i forskellige former, men de anvender alle en ultratynd, reflekterende membran. Fotoner overfører bevægelsesmængde til overfladen og giver en lille, vedvarende kraft. Nogle projekter sigter mod en betydelig brøkdel af lysets hastighed, hvilket i teorien kan sende små sonder til nærliggende stjerner på årtier.

Breakthrough Starshot og målet Alpha Centauri

Breakthrough Starshot, grundlagt af Yuri Milner med støtte fra fysikeren Stephen Hawking, er et af de mest kendte projekter for laseraccelererede lyssejl.
Projektet forestiller sig kraftige jordbaserede lasere rettet mod små, reflekterende sejl med chipsonder. Kameraer og andre sensorer skulle indsamle data på en mulig rejse mod Alpha Centauri-systemet.

Udfordringer ved traditionelle lyssejl

Lyssejl kan åbne nye muligheder for udforskning af det dybe rum, men fremstillingen er stadig kompleks og dyr. Den kræver præcise nanostrukturer og materialer, der kan modstå forholdene i rummet.

En anden begrænsning er skaleringen. De nuværende metoder egner sig især til meget små strukturer og kan ikke uden videre overføres til store eller bemandede fartøjer.

Lyssejl har ofte en nøje bestemt geometri med mikroskopiske huller, som reducerer massen og ændrer de optiske egenskaber. Et lettere sejl accelererer lettere, men de strenge krav gør større konstruktioner vanskelige at fremstille.

Lyssejl optimeret med kunstig intelligens

Forskere fra Brown University og Delft University of Technology har udviklet en metode, hvor kunstig intelligens bruges til at designe et nanofotonisk lyssejl. Studiet «Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization»,¹ udgivet i Nature Communications, beskriver en metode til design og fremstilling med hjælp fra kunstig intelligens.

 Sådan blev kunstig intelligens brugt i designet

Forskerne udviklede en gasbaseret ætseproces til en ultratynd membran af siliciumnitrid. Materiale fjernes kontrolleret, indtil sejlet får den ønskede tykkelse og form.

Forskerne designede en fotonisk krystal med et femkantet gitter, som kombinerer lav masse og mekanisk styrke. Sejlet var cirka 60 millimeter bredt og kun 200 nanometer tykt, langt tyndere end et menneskehår.

Hullerne langs kanten blev gjort 3 % større end hullerne i midten. Det forskød reflektionsspektret med 10–20 nanometer og forbedrede konstruktionens optiske egenskaber.

Kilde – Brown

Fotoniske krystaller og siliciumnitrid

Gitteret er beregnet til at maksimere reflektiviteten, som bestemmer, hvor meget lystryk der kan overføres til sejlet. Forskerne anvendte en AI-model til at optimere denne egenskab.

Forskerne fra Brown og TU Delft udviklede en model til neural topologioptimering. Den kombinerede materialevidenskab, konstruktion og optik for at designe et stort, let og robust lyssejl.

Holdet anvendte AI-systemet før analyser med finite element-metoden. Optimeringen søgte dermed efter de vægte og parametre i det neurale netværk, som gav den bedste form, størrelse og placering af hullerne.

Sejlet er mønstret med mere end en milliard detaljer på nanoskala. Hullerne er mindre end bølgelængden af det anvendte lys og reducerer massen, samtidig med at de styrer den optiske respons. Designet skal forbedre acceleration og tolerance over for Doppler-forskydning samt sænke produktions- og opsendelsesomkostninger.

Et hurtigere og langt billigere fremstillingsforløb

Holdet fremstillede en reflektor på 60 × 60 millimeter, 200 nanometer tyk og med mere end en milliard nanostrukturer. Ifølge studiet var prisen omkring 9.000 gange lavere end med traditionelle metoder, og processen tog omtrent én dag i stedet for år.

Test af det AI-designede lyssejl

Forsøgene viste, at den nye proces kan skabe billigere og skalerbare sejl med gode mekaniske og optiske egenskaber. Der er tale om laboratorieresultater, som fortsat skal bekræftes under operationelle forhold i rummet.
Designet er også beregnet til at reagere i begge retninger. Denne egenskab kan give større kontrol over retningen end sejl, der kun reagerer effektivt på lys fra én side.

Fra laboratoriet til mulige anvendelser

Metoden gør det muligt at designe nanofotoniske strukturer med et meget stort forhold mellem bredde og tykkelse på under 24 timer. En hurtigere og mere reproducerbar proces kan gøre forsøg med lyssejl mere tilgængelige.

Kunstig intelligens i udviklingen af materialer til rummet

Studiet viser, hvordan kunstig intelligens kan bidrage til design, fremstilling og afprøvning af nanofotoniske materialer. Forskerne har allerede fremstillet et større lyssejl end tidligere metoder typisk tillod.
Lavere omkostninger er en central fordel. Hvis processen kan gentages i større skala, kan flere forskningsgrupper eksperimentere med lyssejl og andre lysdrevne enheder.

Forskerne bag lyssejlet

Studiet blev ledet af Miguel A. Bessa og Richard A. Norte. Lucas Norder, Shunyu Yin, Matthijs H. J. de Jong, Francesco Stallone, Hande Aydogmus og Paolo M. Sberna fra Brown University og Delft University of Technology bidrog også. Arbejdet fik støtte fra EU og Limitless Space Institute.
Holdet vil forbedre designet ved hjælp af simuleringer og yderligere AI-værktøjer. Målet er at sammenligne forskellige placeringer af de mange nanohuller for at øge reflektiviteten og mindske massen.

Lyssejl og interstellar kommunikation

Den vigtigste mulige anvendelse er fremdrift af små rumsonder. Metoden gør fremstilling af ultralette og skalerbare nanofotoniske sejl til laseraccelererede sonder mere realistisk. Den kan måske også anvendes til andre lysdrevne eller lysstyrede enheder.

Avancerede kommunikationssystemer

På længere sigt kan netværk af små satellitter fungere som relæer over store afstande i rummet. Et sådant system kræver selvstændige enheder, som kan fungere i årtier; kommunikation mellem galakser er ikke en nært forestående anvendelse af denne forskning.

Investering i fotonik

Mange virksomheder udvikler udstyr til fotonik og nanofremstilling. Investorer bør vurdere deres teknologi, marked, konkurrence og værdiansættelse. En etableret leverandør på området er Applied Materials.

Applied Materials Inc.

Applied Materials Inc (AMAT ) blev grundlagt i 1967 som leverandør af kemikalier. Grundlæggeren Michael A. McNeilly flyttede senere selskabets fokus til udstyr for halvlederindustrien. I dag kan dets systemer også anvendes til fremstilling af fotoniske materialer og avancerede halvledere.

Applied Materials har udvidet sit udbud gennem flere opkøb, blandt andet Etec Systems, Opal Technologies og Baccini. Opkøbene har styrket både produktudvalget og selskabets markedsposition.

Selskabet er en stor global leverandør af udstyr til nanofremstilling og halvlederproduktion. Investorer med interesse for fotonik bør stadig undersøge forretningens fundamentale forhold, konkurrence og risici før en investering.

Seneste nyt om Applied Materials

Næste skridt for AI-optimerede lyssejl

Før teknologien kan bruges i praksis, skal forskerne undersøge endnu lettere materialer og bekræfte, at de tåler stråling, temperaturudsving og andre påvirkninger i rummet.
Systemet er heller ikke afprøvet fuldt ud i kredsløb. En senere fase kan bestå i at opsende små prototyper og måle deres respons og stabilitet over tid.

Udsigterne for AI-optimerede lyssejl

Hvis udviklingen fortsætter, kan disse sejl medvirke til at sende små sonder til andre stjernesystemer og på langt sigt understøtte kommunikationsnetværk i det dybe rum. Påstanden om at nå andre galakser på 10–20 år er ikke forenelig med de fysiske afstande.

Læs om andre gennembrud inden for materialevidenskab her.

Refereret studie:

^{1. Norder, L., Yin, S., de Jong, M. H. J., Stallone, F., Aydogmus, H., Sberna, P. M., Bessa, M. A., & Norte, R. A. (2025). Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization. Nature Communications, 16, artikel 2753. https://doi.org/10.1038/s41467-025-57749-y}