Tekoälyn avulla suunnitellut valopurjeet vievät tähtienvälistä tutkimusta eteenpäin

Entä jos valon avulla voisi purjehtia avaruudessa samaan tapaan kuin purjevene kulkee tuulen voimalla merellä? Ajatus kuulostaa mahdottomalta, mutta useat tieteelliset edistysaskeleet ovat tehneet siitä mahdollisen. Tekoälyn avulla suunnitellut valopurjeet voivat auttaa lähettämään luotaimia yhä kauemmas avaruuteen. Tässä kerromme, mistä on kyse.

Mikä on valopurje? Avaruusmatkailun mahdollinen käyttövoima

Kaukaisia avaruusmatkoja ajatellessa mieleen tulevat usein rakettimoottorit tai ionimoottorit. Niitä on kehitetty vuosikymmeniä. Valopurjeen ajatus on kuitenkin vuosisatoja vanha, ja sen toteuttaminen on nyt noussut uudelleen esiin.

Ajatus valon avulla kulkevasta aluksesta ulottuu vuoteen 1608, jolloin Johannes Kepler ja Galileo Galilei keskustelivat aiheesta.

Kertomusten mukaan Kepler sai ajatuksen nähtyään komeetan pyrstön osoittavan Auringosta poispäin. Hän päätteli, että valon vaikutusta voisi joskus käyttää esineiden kuljettamiseen avaruudessa.

Ensimmäinen toimiva valopurje avaruudessa vuonna 2019

Ensimmäinen toimiva valopurje otettiin avaruusaluksessa käyttöön vuonna 2019. Aiemmissa yrityksissä purje ei ollut avautunut kunnolla. Tällä kertaa sen avulla muutettiin aluksen suuntaa kiertoradalla. Se oli merkittävä osoitus valopurjeen toiminnasta avaruudessa.

Miten valopurje toimii?

Valopurjeita on monenlaisia, mutta kaikissa käytetään hyvin ohutta heijastavaa kalvoa, johon kohdistuva valo tuottaa työntövoimaa. Niiden tavoitteena on saavuttaa hyvin suuria nopeuksia. Jotkut tutkijat ovat esittäneet tavoitteeksi jopa viidesosan valon nopeudesta. Sellaisella nopeudella luotain voisi päästä lähitähtiin vuosikymmenissä; väite matkoista toisiin galakseihin samassa ajassa olisi epärealistinen.

Breakthrough Starshot ja matka Alfa Centauriin

Ajatus valolla kiihdytettävistä avaruusluotaimista on saanut tuekseen merkittäviä rahoittajia ja tutkijoita. Esimerkki on Juri Milnerin ja fyysikko Stephen Hawkingin käynnistämä Breakthrough Starshot -hanke.
Hankkeessa voimakkaat Maasta suunnatut laserit kohdistettaisiin kevyisiin, heijastaviin purjeisiin. Tavoitteena on lähettää pieniä siruluotaimia tähtienväliseen avaruuteen. Kameroilla ja muilla mittalaitteilla varustetut luotaimet lähettäisivät havaintoja tutkijoille Maahan.

Perinteisten valopurjeiden haasteet

Valopurjeet voivat avata uusia mahdollisuuksia syvän avaruuden tutkimukseen, mutta niiden käyttöä rajoittavat monet ongelmat. Valmistus on kallista ja aikaa vievää: perinteiset menetelmät vaativat tarkkaa nanomittakaavan työstöä sekä materiaaleja, jotka kestävät avaruuden olosuhteita.

Toinen ongelma on valmistuksen skaalaaminen. Nykyiset menetelmät soveltuvat hyvin pieniin rakenteisiin, eivätkä ne sellaisinaan palvele suuria tai miehitettyjä aluksia.

Valopurjeissa käytetään tarkkaan suunniteltuja kuvioita ja mikroskooppisia aukkoja massan pienentämiseksi. Kevyempi purje voidaan kiihdyttää tehokkaammin, mutta monimutkainen geometria ja tiukat suorituskykyvaatimukset vaikeuttavat suurempien rakenteiden valmistusta.

Tekoälyn avulla suunniteltu valopurje

Brownin yliopiston ja Delftin teknillisen yliopiston tutkijat ovat esitelleet uuden valmistusmenetelmän, jossa valopurjeen rakennetta optimoidaan tekoälyn avulla. Tutkimus «Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization»,¹ joka julkaistiin Nature Communications -lehdessä, esittelee menetelmän kevyiden valopurjeiden suunnitteluun ja valmistukseen.

 Näin tekoälyä käytettiin valopurjeen suunnittelussa

Tutkijat kehittivät kaasupohjaisen syövytysmenetelmän erittäin ohuelle ja heijastavalle piinitridikalvolle. Materiaalia poistetaan hallitusti, kunnes purje saavuttaa halutun paksuuden ja muodon.

Tutkijat suunnittelivat viisikulmaiseen hilaan perustuvan fotonikiderakenteen, joka yhdistää pienen massan ja kestävyyden. Purje oli sivumitaltaan noin 2,4 tuumaa eli 60 millimetriä. Sen kalvo oli vain 200 nanometriä paksu, huomattavasti hiusta ohuempi.

Purjeen reunassa olevat aukot tehtiin 3 % suuremmiksi kuin keskiosassa. Näin heijastavuusspektri siirtyi 10–20 nanometriä ja heijastavuus parani.

Lähde – Brown

Fotonikiteet ja piinitridi valopurjeen materiaaleina

Rakenteen yksityiskohdilla pyritään maksimoimaan heijastavuus. Valon purjeeseen kohdistama paine synnyttää työntövoiman, joten heijastavuus vaikuttaa aluksen kiihtyvyyteen ja toimintaan. Tutkijat hyödynsivät tekoälyä rakenteen optimoinnissa.

Brownin yliopiston ja TU Delftin tutkijat loivat hermoverkkoon perustuvan rakenteen optimointimallin. Sen avulla voitiin suunnitella suurikokoinen, kevytrakenteinen valopurje yhdistämällä materiaalitieteen, rakennesuunnittelun ja optiikan menetelmiä.

Tutkimusryhmä käytti tekoälymallia ennen elementtimenetelmään perustuvia analyysejä. Näin optimoinnin kohteeksi tulivat hermoverkon painot ja vinoumat, joiden avulla haettiin sopivaa muotoa, kokoa ja aukkojen sijoittelua.

Valopurjeeseen kuvioidaan valtava määrä nanometriluokan aukkoja, jotka vähentävät massaa ja parantavat optisia ominaisuuksia. Aukkojen koko on valon aallonpituutta pienempi. Rakenne voi parantaa kiihtyvyyttä ja sietokykyä Doppler-siirtymälle sekä alentaa valmistus- ja laukaisukustannuksia.

Valmistuksen läpimurto: vuosista päiviin ja huomattavasti halvemmaksi

Tutkijat valmistivat ja testasivat 60 × 60 millimetrin kokoisen ja 200 nanometrin paksuisen heijastimen, jossa oli yli miljardi nanomittakaavan yksityiskohtaa. Tutkimuksessa arvioitiin valmistuskustannusten olevan noin 9 000 kertaa perinteisiä menetelmiä pienemmät. Näyte valmistui päivässä, kun vanhoilla menetelmillä vastaava työ olisi voinut kestää vuosia.

Tekoälyn avulla suunnitellun purjeen testitulokset

Testien mukaan uusi rakenne paransi suorituskykyä ja voisi alentaa valmistuskustannuksia. Menetelmä on skaalattavissa, mikä voi tulevaisuudessa auttaa tähtienvälisten luotainten kehittämisessä. Tutkijat havaitsivat rakenteen kestävän hyvin ja reagoivan sitä kiihdyttävään valoon.
Purje suunniteltiin myös toimimaan kahteen suuntaan. Aiemmissa malleissa ohjattavuus oli rajallisempi, mutta uuden heijastusominaisuudet voivat mahdollistaa joustavamman suunnan hallinnan.

Valopurjeiden mahdolliset käyttökohteet

Uusi valmistusmenetelmä voi tuoda nanofotoniset purjeet lähemmäs käytännön sovelluksia. Sen avulla monimutkaisia rakenteita voidaan suunnitella alle vuorokaudessa, kun aiemmat menetelmät saattoivat vaatia vuosien työn.

Tekoälyn rooli avaruusmateriaalien kehittämisessä

Tutkimus voi vauhdittaa myös muiden kevyiden optisten rakenteiden suunnittelua, valmistusta ja testausta. Tutkijat ovat jo valmistaneet menetelmällä aiempaa suuremman valopurjeen. Jatkossa tekoälyn avulla optimoidut menetelmät voivat auttaa kehittämään uusia malleja.
Kustannusten lasku on tärkeää: jos valopurjeiden valmistus on huomattavasti edullisempaa, useampi tutkimusryhmä voi kokeilla niitä ja jatkaa tekniikan kehittämistä.

Valopurjetutkimuksen tekijät

Tutkimuksen päätekijöitä olivat Miguel A. Bessa ja Richard A. Norte. Brownin yliopistosta ja Delftin teknillisestä yliopistosta työhön osallistuivat myös Lucas Norder, Shunyu Yin, Matthijs H. J. de Jong, Francesco Stallone, Hande Aydogmus ja Paolo M. Sberna. Tutkimusta rahoittivat Euroopan unioni ja Limitless Space Institute -instituutin I2-apuraha.
Tutkijat aikovat jatkaa purjeen rakenteen kehittämistä tekoälyn ja simulaatioiden avulla. Näin he voivat vertailla miljardien pienten aukkojen mahdollisia sijoitteluja ja pyrkiä lisäämään heijastavuutta sekä vähentämään massaa.

Valopurjeet ja tähtienvälinen viestintä

Tärkein mahdollinen käyttökohde on avaruusluotaimien kuljettaminen. Valmistusmenetelmä voisi tehdä laserilla kiihdytettävistä tähtienvälisistä luotaimista toteuttamiskelpoisempia, koska se mahdollistaa kevyiden ja skaalattavien nanofotonisten purjeiden valmistuksen. Samaa valmistustapaa voitaisiin ehkä soveltaa muihinkin valon avulla toimiviin laitteisiin.

Viestintäjärjestelmät tulevaisuudessa

Pieniä satelliitteja voitaisiin joskus käyttää viestien välittäjinä pitkien avaruusetäisyyksien yli. Tällainen verkko edellyttäisi kuitenkin pitkäikäisiä ja luotettavia järjestelmiä; yhteydet toisiin galakseihin eivät ole tämän tutkimuksen lähiajan sovellus.

Sijoittaminen fotoniikkaan

Fotoniikkaa ja nanovalmistusta kehittävät useat yritykset, jotka panostavat tutkimukseen ja tuotekehitykseen. Yksi alan tunnetuista laitevalmistajista on seuraava yhtiö.

Applied Materials Inc.

Applied Materials Inc (AMAT ) aloitti toimintansa kemikaalien toimittajana vuonna 1967. Perustaja Michael A. McNeilly suuntasi yhtiön myöhemmin palvelemaan kasvavaa puolijohdeteollisuutta. Nykyään Applied Materials valmistaa laitteita, joita voidaan käyttää myös fotonikiteiden ja avaruustekniikassa tarvittavien kehittyneiden puolijohdemateriaalien tuotantoon.

Applied Materials on laajentanut toimintaansa useilla yritysostoilla, joihin kuuluvat Etec Systems, Opal Technologies ja Baccini. Ostot ovat vahvistaneet sen tuotevalikoimaa ja asemaa alan laitevalmistajana.

Yhtiö toimii laajasti nanovalmistuksen ja puolijohdeteknologian aloilla. Fotoniikasta kiinnostuneiden sijoittajien kannattaa tutkia sen liiketoimintaa, kilpailuasemaa ja arvostusta tarkemmin ennen sijoituspäätöstä.

Applied Materialsin viimeisimmät uutiset

Mitä tekoälyn avulla suunnitelluille valopurjeille seuraavaksi?

Ennen käytännön käyttöä tutkijoiden on ratkaistava useita kysymyksiä. Heidän on esimerkiksi tutkittava vielä kevyempiä materiaaleja ja varmistettava, että ne kestävät avaruuden vaativat olosuhteet.
Laitteita ei myöskään ole testattu kattavasti kiertoradalla. Seuraava vaihe olisi lähettää pieniä koekappaleita avaruuteen ja seurata, täyttävätkö ne pitkien tähtienvälisten lentojen ja yhteyksien vaatimukset.

Tekoälyoptimoitujen valopurjeiden näkymät

Jos kehitys etenee odotetusti, tekoälyn avulla suunnitellut valopurjeet voivat avata uusia mahdollisuuksia lähettää luotaimia muihin tähtijärjestelmiin. Niistä voi pitkällä aikavälillä olla hyötyä myös tähtienvälisessä viestinnässä. Tutkimus on kuitenkin vielä kehitysvaiheessa, eikä muiden galaksien saavuttaminen 10–20 vuodessa ole realistinen arvio.

Tutustu muihin materiaalitieteen läpimurtoihin täällä.

Tutkimusviite:

^{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, artikkeli 2753. https://doi.org/10.1038/s41467-025-57749-y}