AI-optimoitujen valojen purjeet tuovat tähtien välisen matkailun lähemmäs todellisuutta

Mitä jos voit ajaa valoa kuin purjevene ajaa tuulta yli valtameren? Vaikka tämä käsite voi vaikuttaa mahdottomalta, se on mahdollista kiitos useille tieteellisille kehityksille vuosien varrella. Viimeaikaiset läpimurrot AI-optimoituissa valojen purjeissa voivat pitää avaimen ihmisen ulottuvuuden projektoimiseen galaksiin. Tässä on mitä sinun tarvitsee tietää

Mikä ovat valojen purjeet? Avaruuspropulsioiden tulevaisuus selitetty

Kun visualisoit syvän avaruusmatkailun, on todennäköistä, että kuvittelet aluksen, jossa on työntövoimaa tai jokin ioni-boosterijärjestelmä, kuten ne, jotka nähdään kuuluisissa sci-fi-ohjelmissa. Vaikka nämä vaihtoehdot ovat kehitettyjä vuosikymmenien ajan, yksi käsite on ollut olemassa satoja vuosia ja saa vasta nyt oman paikkansa: valojen purjeet.
Idea luoda alus, joka voisi ajaa valoaaltoja galaksin yli, juontaa juurensa vuoteen 1608. Silloin kaksi nyt kuuluisaa keksijää, Johannes Kepler ja Galileo Galilei, keskustelivat ideasta.
Historiallisten kirjojen mukaan Kepler sai inspiraation yhtenä iltana, kun hän katseli, miten komeetan häntä osoitti poispäin Aurinkoa. Hän päätteli, että se päivä olisi, jolloin häntä olisi heittänyt esineitä avaruuteen, ei vain seurannut niitä.

Ensimmäinen todellinen valojen purjeen käyttöönotto: 2019 merkkipaalu

Se ei ollut ennen vuotta 2019, kun ensimmäinen toimiva valojen purje pääsi avaruusalukselle ja toimi oikein. Aikaisemmat yritykset näkivät purjeen epäonnistuvan aukeamisessa. Tässä tapauksessa valojen purje käynnistettiin ja käytettiin suunnan muuttamiseen kiertoradalla. Tämä hetki merkitsi ensimmäistä kertaa, jolloin valojen purjeen propulsiójärjestelmä toimi laboratorion ulkopuolella.

Miten valojen purjeet toimivat? Tiede takana fotoni-propulsiota

Valojen purjeet tulevat monissa muodoissa, mutta ne kaikki jakavat joitain yhteisiä piirteitä. Yhtäältä ne yhdistävät ultraohuen heijastusmembranin, jota propulsiivat valosäteily. Huomattavasti, nämä purjeet pystyvät saavuttamaan vertaamattomat nopeudet, ja jotkut insinöörit väittävät, että he haluavat saavuttaa viidenneksen valon nopeudesta. Tämä nopeus mahdollistaisi ihmiskunnan matkustamisen muihin auringoihin ja galakseihin vuosikymmeninä, ei tuhansissa vuosissa, kuten perinteiset boost-järjestelmät.

Tähtikuula-läpimurtoaloite: Ammunta Alpha Centauriin

Idea auringonsäteiden ajamisesta syvälle avaruuteen on saanut vahvaa tukea joistakin älykkäimmistä ja luovimmista mielistä. Tähtikuula-läpimurtoaloite on tämän tuen esimerkki. Hanke perustettiin Yuri Milnerin ja fyysikko Stephen Hawkingin toimesta.
He kuvittelivat käyttävänsä maanpinnan lasersäteitä luomaan optista voimaa heijastavaan, kevytrakenteiseen purjearkkiin. Jonakin päivänä tämä strategia lähettäisi satoja matalamassaisia mikrosiru-aluksia syvälle avaruuteen. Tämä edistyneiden avaruusalusten verkosto sisältäisi joukon sensoreita, kuten kameroita, mittareita ja antureita, jotka on suunniteltu tarjoamaan reaaliaikaisia tietoja tutkijoille kotona.

Haasteet perinteisen valojen purjeen teknologian edessä

Valojen purjeen käsite avaa oven ihmisen tutkimiseen syvälle avaruuteen. Kuitenkin on edelleen monia ongelmia ja huolenaiheita, jotka ovat tehneet näiden laitteiden käytön harvinaiseksi. Yhtäältä on erittäin kallista luoda valojen purjeita. Perinteiset valojen purjeet vaativat vuosia edistyneitä valmistustekniikoita, jotka pystyvät luomaan nanomittaisia kohteita tiettyjen materiaalien avulla, jotka on suunniteltu kestämään kiertoradalla.
Toinen ongelma nykyisten edistyneiden valojen purjeiden kanssa on, etteivät ne pysty skaalautumaan. Ne voidaan rakentaa vain nanomittakaavassa nykyisten menetelmien avulla. Niinpä ne eivät pysty tarjoamaan samanlaista hyötyä suuremmille tai jopa miehitetyille operaatioille.
Valojen purjeet käyttävät myös erittäin tarkkaa geometriaa, mukaan lukien mikroskooppisia reikiä painon vähentämiseksi. Kuten perinteisillä purjeilla, vähemmän painoa tarkoittaa nopeampia matkustus- ja laukaisuajoja. Kuitenkin valojen purjeiden ainutlaaduiset geometriat ja tiukat suorituskykyvaatimukset tekevät niistä erittäin hankalia käyttää suuremmissa projekteissa.

AI-optimoitu valojen purje: pelinmuuttaja syvän avaruusmatkailun parissa

Nyt ryhmä tutkijoita Brownin yliopistosta ja Delftin teknillisen yliopiston on lukinnut uuden AI-optimoitu valojen purjeen valmistusmenetelmän, joka voi muuttaa kaiken. “Pentagonaalinen fotoni-kristallipeili: skaalautuvat valojen purjeet parannetulla kiihdytyksellä neuronisen topologian optimoinnin kautta“,¹ julkaistu Nature Communications -julkaisussa, esittelee AI-avusteisen valojen purjeen suunnittelun ja luomismenetelmän, jolla on potentiaalia parantaa koko teollisuutta.

Sisällä AI-ohjatun valojen purjeen suunnitteluprosessissa

Insinöörit kehittivät uuden kaasupohjaisen etsintästrategian, jossa käytettiin ultraohuita, ultra-heijastavia kalvoja yksikerroksisesta piiniittiridistä. Tämä lähestymistapa poistaa hienosti materiaalia purjeen alta, kunnes haluttu paksuus ja muoto saavutetaan.
Tässä tapauksessa insinöörit suunnittelivat pentagonaalisia lattiasidonnaisia fotoni-kristallipeilejä, jotka tarjosivat kevyen suorituskyvyn ja kestävyyden. Valojen purje oli 2,4 tuumaa pitkä. Hämmästyttävästi insinöörit pystyivät saavuttamaan 200 nanometrin paksuuden. Tämä mittaus tarkoittaa, että tämä purje on paljon ohuempi kuin ihmisen hiussuoni, mutta kykenee käsittelemään merkittävää painetta asennettaessa.
Mielenkiintoista kyllä insinöörit päättivät tehdä reikiä purjeen reunassa 3 % suuremmaksi kuin reikiä purjeen sisäosissa. Tämä suunnittelu aiheuttaa heijastavuuden lisääntymisen siirtämällä heijastuskaistan 10-20 nm.

Lähde – Brown

Fotoni-kristallit ja piiniittiridi: tulevaisuuden materiaalit

Kaikki nämä hienot suunnitelmat on tarkoitettu maksimoimaan heijastavuutta purjeessa. Heijastavuus on se, joka takaa, että valopaine voi kasvaa ja projisoida alusta. Niinpä se on olennainen suorituskyvyn, nopeuden ja jopa käynnistysajan määrittämisessä. Tunnistaen tämän tosiasian, insinöörit käyttivät edistynyttä AI:ta varmistamaan, että he optimoivat heijastavuuden.
Tutkijat Brownin yliopistosta ja TU Delftistä loivat AI-voimaisen neuronisen topologian optimointimallin, joka voisi suunnitella ja valmistaa valojen purjeita ennätyksellisessä ajassa ja vertaamattomalla suorituskyvyllä. Yhdistämällä viimeaikaiset läpimurrot materiaalitieteessä, rakenteellisessa suunnittelussa ja optiikassa insinöörit voivat luoda suurimman ja tehokkaimman valojen purjeen koskaan.
Tutkijat ottivat ainutlaatuisen lähestymistavan, koska he käyttivät AI-järjestelmää ennen ääri-elementti-analyysejä. Tämä strategia siirtää optimointiongelman etsimään neuroniverkon painoja ja harha-arvoja, jolloin insinöörit voivat saavuttaa optimoidun muodon, koon ja sijoittelun.
Valojen purjeet on sommiteltu miljardilla nanomittaisilla rei’illä, jotka on suunniteltu lisäämään heijastavuutta ja vähentämään massaa. Nämä pienet rei’it on tehty pienemmiksi kuin valosäteiden halkaisija, jolloin ne voivat ohjata valoa voiman luomiseksi. Vaikuttavasti tämä lähestymistapa parantaa suorituskykyä, kiihdytystä ja sietokykyä Dopplerin siirtymille ja vähentää laukaisu- ja valmistuskustannuksia.

Läpimurto valmistus: vuosista päiviin ja 9000 kertaa halvemmaksi

Insinöörit testasivat valmistettua valojen purjettaan eri menetelmillä varmistamaan, että se toimi suunnitellusti. Huomattavasti tiimi valmisti 60 × 60 mm2, 200 nm paksun heijastimen. Purje integroi +1B nanomittaisia piirteitä ja valmistettiin hintaan, joka vastasi 9000-kertaista edullisempaa kuin perinteiset menetelmät. Lisäksi se kesti vain päivän luomiseen verrattuna vuosikymmeniin vanhempien menetelmien kanssa.

AI-suunnitellun valojen purjeen suorituskykytestaus

Testitulokset osoittivat, että uudet ja parannetut valojen purjeet tarjoavat paremman suorituskyvyn ja ovat edullisempia. Uusi valmistusprosessi on skaalautuva ja voi olla arvokas osa tähtien välisen matkailun suunnitelmia. Lisätiedot paljastivat, että uusi valojen purjeen suunnittelu oli kestävämpi ja herkempi valosäteilylle, joka propulsi alusta.
Yksi viileä yksityiskohta tästä valojen purjeesta on, että se suunniteltiin tarjoamaan kaksisuuntainen kyky. Aikaisemmat valojen purjeet voivat liikkua ainoastaan suuntaan, johon ne osoittivat, kun valo kohdistettiin. Tämä suunnittelu voi tarjota suuremman suunnan joustavuuden parannetun heijastusprofiilin ansiosta.

Laboratoriosta laukaisuun: valojen purjeiden todelliset sovellukset

On paljon hyötyjä, joita tämä valojen purjeen valmistus tuo markkinoille. Yhtäältä se tarjoaa luotettavan menetelmän luoda korkein nanofotoni-purje. Tämä menetelmä voi suorittaa nanofotoni-suunnitelmat alle 24 tunnissa. Tämä aikajänne tuhosi vanhemmat menetelmät, jotka kestivät vuosia.

AI:n rooli avaruusmateriaalien vallankumouksessa

Toinen hyöty tästä tutkimuksesta on, että se avaa oven merkittäville innovaatioille materiaalien suunnittelussa, valmistuksessa ja testauksessa. Jo nyt insinöörit ovat onnistuneet luomaan suurimman valojen purjeen tällä strategialla. Tulevaisuudessa AI-optimoitu valmistusmenetelmä voi auttaa lukittamaan uuden innovaation tason.
Lopulta kaikki palautuu kustannuksiin. Tämä valojen purjeen valmistusmenetelmä on tuhansia kertoja edullisempi kuin vaihtoehdot. Tämä hallittava hinta sallii enemmän tutkijoita ja tutkijoita integroida valojen purjeita projekteihinsa, ajamalla adoptiota ja tutkimusta.

Tutkijat takana valojen purjeen innovaatiosta

AI-optimoitu valojen purje -tutkimus johti yhteisöllisesti Miguel A. Bessan ja Richard A. Norten. Heidät avustivat kollegat Brownin yliopistosta ja Delftin teknillisestä yliopistosta. Nimenomaan Lucas Norder, Shunyu Yin, Matthijs H. J. de Jong, Francesco Stallone, Hande Aydogmus ja Paolo M. Sberna vaikuttivat raporttiin. Lisäksi koe sai rahoitusta Euroopan unionilta ja Limitless Space Institute I2 -stipendistä.
Tulevina kuukausina insinöörit toivovat parantavansa purjeen suunnittelua enemmän AI:n avulla keksimään kokeellisia sommitelmuotoja. Tämä järjestelmä sallii insinöörien hyödyntää simulaatioita testatakseen eri konfiguraatioita miljardeja nanomittaisia reikiä, jotka on suunniteltu parantamaan heijastavuutta ja vähentämään massaa.

Valojen purjeet ja tähtien välinen viestintä: seuraava etappi

Avaruusmatkailu on pääasiallinen sovellus näille laitteille ja kehittäjille, jotka ovat kehittäneet uudet valmistusmenetelmät. Tämä läpimurto parantaa merkittävästi laserin ajaminen tähtien välisiin avaruusluotaimiin, tehden skaalautuvat, ultra-kevyet nanofotoni-purjeet mahdollisiksi. Voit myös nähdä tämän valmistusprosessin käytettävän muissa valoa voimalla toimivissa laitteissa tulevaisuudessa.

Edistyneet viestintäjärjestelmät

Kuvittele tuhansia pientä nanosatelliittia toimimassa välittäjänä lähettääksesi viestisi galakseihin. Tämä ominaisuus ei ole liian kaukana, koska nämä järjestelmät ovat itsestään voimassa ja pystyvät selviytymään karussa ulkoavaruuden ympäristössä vuosikymmeninä.

Sijoittaminen fotonitutkimukseen

Fotonitutkimuksen ja nanofabrication-markkinat ovat täynnä yrityksiä, jotka jatkuvasti ajavat innovaatiota. Nämä yritykset ovat käyttäneet merkittäviä määriä tutkimukseen ja kehitykseen, mikä mahdollistaa heidän jatkuvaan teknologian kehittämisen. Tässä on yksi yritys, joka on saavuttanut maineensa fotonitutkimuksen johtajana ja enemmän.

Applied Materials Inc.

Applied Materials Inc (AMAT ) tuli markkinoille vuonna 1967 kemikaalien toimittajana. Yrityksen perustaja, Michael A. McNeilly, siirsi yrityksen fokus kemikaaleista tukemaan kasvavaa puolijohdeteollisuutta kymmenen vuoden kuluttua yrityksen avaamisesta. Nykyään Applied Materials on hyvin asemoitunut tukemaan valojen purjeiden komponenttien valmistusta.
Yrityksen julkaisun jälkeen Applied Materials on tehnyt useita suuria ostoja, jotka ovat laajentaneet heidän verkostojaan ja tarjoamiaan palveluja. Nimenomaan yritys osti Etec Systemsin, Opal Technologiesin, Baccinin ja monia muita. Jokainen osto syvensi yrityksen markkinasijoitusta ja vaikutusvaltaa.