AI-optimaliserte lysseil: Hva studien viste og hva som gjenstår

Lysseil bruker strålingstrykket fra sollys eller en laser i stedet for å bære med seg alt drivstoffet. Kraften fra hvert foton er svært liten, men virker kontinuerlig på en lett og reflekterende flate. For sonder med lav masse kan dette gi hastigheter som kjemiske raketter ikke kan opprettholde over lang tid.

En studie fra Brown University og TU Delft, publisert i Nature Communications i mars 2025, kombinerte nevral topologioptimalisering med en billigere produksjonsmetode for fotoniske krystallspeil. Forskerne fremstilte en 60×60 mm reflektor av silisiumnitrid som var 200 nm tykk og inneholdt mer enn én milliard nanostrukturer. Det er et viktig produksjonsresultat, men ikke et ferdig lysseil eller en demonstrert interstellar sonde.

Fra solseil til laserlysseil

Johannes Kepler beskrev tidlig på 1600-tallet ideen om at lys fra solen kunne påvirke objekter i rommet. Den moderne forklaringen bygger på elektromagnetisk stråling og overføring av impuls fra fotoner, ikke på at et fartøy «rir på lysbølger» på samme måte som en seilbåt på vind.

Japan Aerospace Exploration Agency skjøt opp IKAROS i 2010. Det ble det første romfartøyet som demonstrerte kontrollert solseiling i interplanetarisk rom. Planetary Societys LightSail 2 brukte i 2019 sollys til å endre banen og ble det første romfartøyet som demonstrerte kontrollert solseiling i jordbane. Påstanden om at 2019 var første fungerende lysseil i rommet er derfor feil.

Breakthrough Starshot er et konsept, ikke en planlagt rutefart

Breakthrough Starshot undersøker om gramlette brikkesonder kan akselereres mot Alpha Centauri med en bakkebasert laser og et svært lett seil. Målet er omtrent 20% av lyshastigheten og litt over 20 års flytid etter utskytning. Dette gjelder ubemannede sonder til den nærmeste stjernegruppen, ikke bemannede reiser eller ferdsel til andre galakser.

Konseptet krever blant annet et laseranlegg i gigawattklassen, ekstremt presis strålestyring gjennom atmosfæren, et seil på omtrent ti kvadratmeter med masse på gramnivå, termisk stabilitet under høy lysintensitet, kontroll av seilformen og en sonde som kan måle, lagre og sende data hjem over mer enn fire lysår. Studien fra 2025 løser bare en del av seilmaterial- og produksjonsproblemet.

Hvorfor et fotonisk krystallspeil brukes

Et tynt, ensartet lag av silisiumnitrid har lav masse, men begrenset refleksjon. En fotonisk krystall har et periodisk mønster av hull som styrer hvordan lys forplanter seg i materialet. Høy refleksjon gir større kraft, mens lav masse gir raskere akselerasjon.

En sonde som akselererer raskt bort fra laseren opplever et Doppler-skift. Reflektoren må derfor virke over et bølgelengdeområde, ikke bare ved én smal topp. Flere lag kan gi bred refleksjon, men øker massen. Forskerne konsentrerte seg derfor om ett perforert lag.

Nevral topologioptimalisering

Forskerne brukte et nevralt nettverk som parameterisering foran en fysisk elektromagnetisk beregning. Optimaliseringen justerte blant annet hullgeometri, periode og lagtykkelse for å redusere akselerasjonstid og samtidig holde funksjonene store nok til rimelig produksjon.

Resultatet var et femkantet gitter med flere hullformer og størrelser. Det skaper flere refleksjonstopper fordelt over et bredere spektrum. Den høyere materialandelen mellom hullene kan gjøre strukturen enklere å fremstille og mindre utsatt for brudd, men øker massen. Designet er dermed et kompromiss mellom bredbåndsrefleksjon, akselerasjon, mekanisk robusthet og produksjonskostnad.

Source – Brown

Hva forskerne faktisk fremstilte

Teamet fremstilte en frittstående reflektor på 60×60 mm med tykkelse 200 nm og mer enn én milliard nanostrukturer. Artikkelen beskriver den som det største enkeltlags, frittstående fotoniske krystallet og nanofotoniske elementet med høyest sideforhold på publiseringstidspunktet.

Kostnaden per kvadratmeter ble anslått til å være 9.000 ganger lavere enn for tidligere elektronstrålelitografi. Reduksjonen kom fra større minste detaljstørrelse, som åpnet for fotolitografi med høyere gjennomstrømning. Tallet gjelder den sammenlignede produksjonsprosessen per areal; det betyr ikke at et komplett Starshot-oppdrag er 9.000 ganger billigere.

Studien modellerte også at kombinerte produksjons- og laserbesparelser kunne nærme seg 25 millioner euro per seil innenfor de valgte oppdragsantakelsene. Det er en modellert kostnadsforskjell, ikke et observert budsjett fra et bygd laseranlegg og en gjennomført oppskytning.

Hva som ikke ble demonstrert

Reflektoren ble ikke skutt opp, akselerert til relativistisk hastighet eller prøvd under en Starshot-lignende laser. Studien viste heller ikke styring i to retninger, overlevelse i flere tiår, kommunikasjon over lysår eller et nettverk av relésatellitter mellom stjernene.

Forskerne skriver uttrykkelig at strenge krav gjenstår. Videre arbeid må innlemme strukturell, termisk og fotonisk stabilitet, lysabsorpsjon, koblingen mellom seil og nyttelast, produksjonsutbytte og dynamisk stabilitet. Selv svak absorpsjon kan gi farlig oppvarming under en laser med svært høy effekt.

Skal et laboratoriespeil skaleres fra 0,0036 m² til rundt 10 m², må man også håndtere skjøter eller større waferprosesser, defekter, folder, vibrasjon, spenninger og strålens plassering. En produksjonsmetode som i prinsippet kan brukes på dagens waferstørrelser er et fremskritt, men en ti kvadratmeter stor, gramlett og feilfri membran ligger fortsatt langt unna.

Mulige anvendelser før interstellare reiser

Store, tynne fotoniske reflektorer kan få anvendelser i bevegelige speil, bildeoptikk, sensorer og andre systemer der lav masse og kontrollert lysrespons er verdifullt. Små solseil kan brukes til baneendring, banestabilisering eller til å forlenge levetiden til enkelte satellitter uten drivstoff.

En laserakselerert forbiflyvningssonde vil ha svært begrenset tid ved målet og må sende svake signaler hjem direkte eller via et annet realistisk kommunikasjonsopplegg. Påstanden om tusenvis av selvforsynte nanosatellitter som et relénettverk «på tvers av galakser» er ikke underbygget av denne studien.

Forskerne og finansieringen

Lucas Norder ledet eksperimentet og deltok sammen med Shunyu Yin i den beregningsmessige utformingen. Norder, Miguel A. Bessa og Richard A. Norte utformet forskningen, med bidrag fra Matthijs H. J. de Jong, Francesco Stallone, Hande Aydogmus og Paolo M. Sberna. Arbeidet fikk støtte fra EU og Limitless Space Institutes I²-program. Forfatterne oppga ingen konkurrerende interesser.

Applied Materials som sektoreksponering

Applied Materials leverer produksjonsutstyr, tjenester og programvare til halvleder- og skjermindustrien. Selskapets avsetnings-, etse-, inspeksjons- og materialteknologi er relevant for bred nanofabrikasjon, men selskapet deltok ikke i lysseilstudien og er ikke en direkte investering i Breakthrough Starshot.

(AMAT )

I regnskapsåret 2025 rapporterte Applied Materials 28,4 milliarder dollar i omsetning, hvorav 20,8 milliarder kom fra Semiconductor Systems. Hoveddriverne var halvlederfabrikker, avansert logikk, minne og pakking, ikke lysseil. Investorer må vurdere syklisk utstyrsbehov, kundekonsentrasjon, teknologiskifter, Kina-eksponering, eksportkontroller, handelsrestriksjoner og store kunders kapitalbudsjetter.

Konklusjon

Studien viser at nevral topologioptimalisering kan finne et uventet femkantet fotonisk mønster og at centimeterstore, ekstremt tynne reflektorer med milliarder av detaljer kan produseres langt billigere per areal enn med den sammenlignede metoden. Det er et konkret fremskritt innen nanofotonisk produksjon.

Resultatet bringer likevel ikke bemannet interstellar reise eller reiser til andre galakser innen 10–20 år. Før en Starshot-lignende sonde kan fly, må seilet skaleres kraftig, kobles til nyttelast, tåle laseroppvarming og akselerasjon, holde seg stabilt og styres, og hele laser-, sporings- og kommunikasjonssystemet må bygges og testes.

Referert studie: Lucas Norder og medarbeidere, Nature Communications 16, 2753 (2025), DOI 10.1038/s41467-025-57749-y.