AI‑optimerade Lightsails för en närmare interstellär resa

Tänk om du kunde segla på ljus som en segelbåt seglar på vinden över havet? Även om detta koncept kan verka omöjligt är det genomförbart tack vare flera vetenskapliga framsteg genom åren. De senaste genombrotten inom AI‑optimerade lightsails kan hålla nyckeln till att utvidga människans räckvidd över galaxen. Här är vad du behöver veta

Vad är Lightsails? Framtiden för rymddrift förklarad

När du föreställer dig djup rymdresa är det sannolikt att du ser en rymdfarkost med raketmotorer eller någon form av jonboostsystem som de som visas i berömda sci‑fi‑serier. Även om dessa alternativ har utvecklats i årtionden har ett koncept funnits i hundratals år och får nu sin dag i solen: ljussagor.

Idén att skapa ett fartyg som kunde rida på ljusvågor för att färdas genom galaxen går tillbaka till 1608. Det var då två nu berömda uppfinnare, Johannes Kepler och Galileo Galilei, diskuterade idén.

Enligt historieböckerna blev Kepler inspirerad en natt efter att ha sett hur en komets svans pekade bort från solen. Han drog slutsatsen att svansen en dag skulle projicera föremål genom rymden snarare än bara följa dem.

Första verkliga Lightsail‑utplaceringen: ett milstolpe år 2019

Det dröjde till 2019 innan den första fungerande lightsailen placerades på en rymdfarkost och fungerade korrekt. Tidigare försök såg seglet misslyckas med att öppnas. I detta fall deployerades lightsailen och användes för att ändra riktning i omloppsbana. Detta ögonblick markerade första gången ett ljussag‑drivsystem fungerade utanför ett laboratorium.

Hur fungerar Lightsails? Vetenskapen bakom fotonisk drivkraft

Lightsails finns i många former, men de delar några gemensamma egenskaper. För det första kombinerar de ett ultratunt reflekterande membran som drivs av ljusradiation. Noterbart är att dessa segel kan uppnå oöverträffade hastigheter, där vissa ingenjörer påstår att de vill nå en femtedel av ljusets hastighet. Denna hastighet skulle göra det möjligt för mänskligheten att resa till andra stjärnor och galaxer på årtionden istället för de tusentals år som skulle krävas med traditionella boost‑system.

Starshot Breakthrough‑initiativet: Sikta på Alpha Centauri

Idén att rida på solstrålar in i djup rymd har fått starkt stöd från några av de mest intelligenta och kreativa sinnena. Starshot Breakthrough‑initiativet är ett tydligt exempel på detta stöd. Projektet grundades av Yuri Milner och fysikern Stephen Hawking.
De föreställde sig att använda högpresterande markbaserade lasrar för att generera en optisk kraft på ett reflekterande, lättviktigt segelmaterial. En dag kommer denna strategi att driva hundratals lågmassiga mikrochipsatelliter in i djup rymd. Detta nätverk av avancerade rymdfarkoster kommer att inkludera en mängd sensorer som kameror, mätare och sonder utformade för att leverera realtidsdata till forskare på jorden.

Utmaningar för traditionell Lightsail‑teknik

Konceptet med lightsails öppnar dörren för mänsklig utforskning av djup rymd. Det finns dock fortfarande många problem och bekymmer som gjort användningen av dessa enheter sällsynt. För det första är det otroligt dyrt att skapa lightsails. Traditionella lightsails kräver år av avancerade tillverkningstekniker som kan skapa nanoskaliga komponenter med specifika material som är konstruerade för att klara sig i omloppsbana.

Ett annat problem med dagens avancerade lightsails är att de inte kan skalas upp. De kan endast byggas på nanoskal med dagens nuvarande metoder. Därför kan de för närvarande inte erbjuda samma fördelar för större eller ens bemannade operationer.

Lightsails använder också en mycket specifik geometri, inklusive mikroskopiska hål för att minska vikten. Precis som med traditionella segel innebär mindre vikt snabbare resetider och uppskjutningar. Dock gör de unika geometrierna och de strikta prestandakraven för lightsails dem mycket svåra att använda i större projekt.

AI‑optimerade Lightsails: En spelväxlare för djup rymdresa

Nu har ett team av forskare från Brown University och Delft University of Technology låst upp en ny AI‑optimerad tillverkningsmetod för lightsails som kan förändra allt. “Pentagonala fotoniska kristallspegeln: Skalbara lightsails med förbättrad acceleration via neural topologi‑optimering“,¹ publicerad i Nature Communications, introducerar en AI‑assisterad design‑ och tillverkningsmetod för lightsails som har potential att uppgradera hela branschen.

 Inuti den AI‑drivna Lightsail‑designprocessen

Ingenjörerna utvecklade en ny gasbaserad etsstrategi som utnyttjar ultratunna, ultrareflektiva membran av enkel‑lagers kiselnitrat. Detta tillvägagångssätt avlägsnar försiktigt material under seglet tills önskad tjocklek och form uppnås.

I detta fall designade ingenjörerna en pentagonal gitterbaserad fotonisk kristall (PhC)‑reflektor som erbjöd lättviktig prestanda och hållbarhet. Lightsailen var 2,4 tum lång. Otroligt nog lyckades ingenjörerna uppnå en tjocklek på 200 nanometer. Denna mätning innebär att seglet är mycket tunnare än en mänsklig hårstrå, men ändå kan hantera betydande tryck när det är installerat.

Intressant nog bestämde ingenjörerna att göra hålen på seglets kant 3 % större än hålen i de interna delarna av seglet. Denna design får reflektiviteten att öka genom att skifta reflektansspektret med 10‑20 nm.

Fotoniska kristaller och kiselnitrat: Framtidens material

Alla de intrikata designerna syftar till att maximera reflektiviteten i seglet. Reflektivitet är det som säkerställer att ljustrycket kan byggas upp och driva fartyget. Därför är den avgörande för att bestämma prestanda, hastighet och även starttider. Med detta i åtanke använde ingenjörerna avancerad AI för att optimera reflektiviteten.

Forskare från Brown University och TU Delft skapade en AI‑driven neural topologi‑optimeringsmodell som kunde designa och tillverka lightsails på rekordtid och med oöverträffad prestanda. Genom att kombinera de senaste genombrotten inom materialvetenskap, strukturingenjörskonst och optik kan ingenjörerna skapa den största och mest effektiva lightsailen någonsin.

Teamet tog ett unikt tillvägagångssätt eftersom de använde sitt AI‑system före finita element‑analyser. Denna strategi förflyttar optimeringsproblemet till att hitta vikterna och biasen i det neurala nätverket, vilket möjliggör att ingenjörerna uppnår en optimerad form, storlek och placering.

Lightsails är intrikat mönstrade med miljarder nanoskaliga hål som är designade för att öka reflektiviteten och minska vikten. Dessa små hål är gjorda för att vara mindre än ljusstrålarnas diameter, vilket gör att de kan rikta ljuset för att generera kraft. Imponerande förbättrar detta tillvägagångssätt prestanda, acceleration och tolerans mot Dopplereffekter samt minskar start‑ och tillverkningskostnader.

Genombrott i tillverkning: Från år till dagar och 9000‑gånger billigare

Ingenjörerna testade sin tillverkade lightsail med en rad metoder för att säkerställa att den presterade enligt plan. Anmärkningsvärt är att teamet tillverkade en 60 × 60 mm², 200 nm tjock reflektor. Seglet integrerade över en miljard nanoskaliga funktioner och tillverkades till ett pris som motsvarar 9000‑gånger billigare än traditionella metoder. Dessutom tog det bara en dag att skapa den jämfört med årtionden med äldre metoder.

Prestandatestning av den AI‑konstruerade Lightsailen

Testresultaten visade att de nya och förbättrade lightsails erbjuder bättre prestanda och är mer prisvärda. Den nya tillverkningsprocessen är skalbar och kan en dag bli en ovärderlig del av interstellära reseplaner. Ytterligare data avslöjade att den nya lightsail‑designen var mer robust och känslig för den ljusradiation som driver den.
En intressant detalj med denna lightsail är att den är designad för att erbjuda tvåvägsförmåga. Tidigare lightsails kunde bara röra sig i den riktning de pekades när ljuset applicerades. Denna design kan erbjuda större riktningsflexibilitet tack vare dess förbättrade reflektivitetsprofil.

Från laboratorium till uppskjutning: Verkliga tillämpningar av Lightsails

Det finns många fördelar som denna ljusskala‑tillverkning kommer att ge marknaden. För det första erbjuder den en pålitlig metod för att skapa det högsta förhållandet mellan bredd och längd för någonsin för en nanofotonisk segel. Denna metod kan slutföra nanofotoniska designer på under 24 timmar. Denna tidsram krossade äldre metoder som tog många år.

AI:s roll i att revolutionera rymdmaterial

En annan fördel med denna studie är att den öppnar dörren för stora innovationer i design, tillverkning och testning av dessa material. Redan har ingenjörer lyckats skapa den största lightsailen med denna strategi. I framtiden kan AI‑optimerade tillverkningsmetoder hjälpa till att låsa upp en ny nivå av innovation.
I slutändan handlar allt om kostnader. Detta tillvägagångssätt för tillverkning av lightsails är tusentals gånger billigare än alternativ. Detta hanterbara pris kommer att möjliggöra för fler forskare och ingenjörer att integrera lightsails i sina projekt, vilket driver adoption och forskning.

Möt forskarna bakom Lightsail‑innovationen

Studien om AI‑optimerade lightsails leddes av medförfattarna Miguel A. Bessa och Richard A. Norte. De fick stöd av kollegor från Brown University och Delft University of Technology. Specifikt bidrog Lucas Norder, Shunyu Yin, Matthijs H. J. de Jong, Francesco Stallone, Hande Aydogmus och Paolo M. Sberna till rapporten. Dessutom fick experimentet finansiering från Europeiska unionen och ett Limitless Space Institute I2‑bidrag.
Under de kommande månaderna hoppas ingenjörerna förbättra sin segeldesign med mer AI‑stöd för att brainstorma experimentella layouter. Detta system kommer att låta ingenjörerna utnyttja simuleringar för att testa olika konfigurationer av de miljarder nanoskaliga hål som är designade för att förbättra reflektiviteten och minska massan.

Lightsails och interstellär kommunikation: Den nästa fronten

Rymdresor är den primära tillämpningen för dessa enheter och de nya tillverkningsmetoder som ingenjörerna har utvecklat. Detta genombrott förbättrar avsevärt möjligheten för laser‑drivna interstellära rymdsonder, vilket gör skalbara, ultralätta nanofotoniska segel möjliga. Du kan också se denna tillverkningsprocess användas för att skapa andra ljusdrivna enheter i framtiden.

Avancerade kommunikationssystem

Föreställ dig tusentals små nanosatelliter som fungerar som en relä för att skicka ditt meddelande över galaxer. Denna funktion är inte så långt borta, eftersom dessa system kommer att vara självförsörjande och kunna överleva i den hårda yttre rymdmiljön i årtionden.

Investera i fotonik

Marknaderna för fotonik och nanoframställning är fyllda med företag som fortsätter driva innovation. Dessa företag har investerat betydande summor i F&U, vilket gör att de ständigt kan driva tekniken till nya höjder. Här är ett företag som har säkrat ett rykte som ledare inom fotoniksektorn och mer.

Applied Materials Inc.

Applied Materials Inc (AMAT ) gick in på marknaden 1967 som ett kemiskt leveransföretag. Företagets grundare, Michael A. McNeilly, skiftade snabbt företagets fokus till att stödja den växande halvledarmarknaden efter att företaget bara hade varit öppet i tio år. Idag är Applied Materials väl positionerat för att stödja tillverkningen av fotoniska kristaller och avancerade halvledarmaterial som används i rymdfarkostkomponenter.

Sedan lanseringen har Applied Materials konsekvent gjort storskaliga förvärv, vilket har utökat dess nätverk och erbjudanden. Specifikt har företaget förvärvat Etec Systems, Opal Technologies, Baccini och många fler. Varje förvärv fördjupade företagets marknadsposition och inflytande.

För närvarande driver Applied Materials världens största solteknikcenter. Dessutom är de fortsatt en global ledare inom nanoframställning och fotonik. Därför bör de som söker exponering mot en ansedd fotonikproducent fortsätta sin forskning om Applied Materials.

Senaste om Applied Materials Inc

Vad är nästa steg för AI‑optimerad Lightsail‑teknik?

Det finns fortfarande några detaljer som ingenjörerna måste lösa för att föra denna teknik från laboratoriet till verklig användning. För det första måste de fortsätta experimentera med nya och lättare material för att säkerställa att de kan tåla den hårda miljön i yttre rymden.
Dessutom har dessa system ännu inte testats fullt ut i omloppsbana. Därför kommer nästa steg i processen att innebära att skjuta upp dessa små enheter och övervaka deras funktion för att säkerställa att deras prestanda uppfyller de strikta krav som behövs för årtionden av interstellär flygning och kommunikation.

AI‑optimerade Lightsails

Om allt går bra har AI‑optimerade lightsails potentialen att ge mänskligheten en glimt av andra galaxer på så lite som 10‑20 år. Dessa system kommer också en dag att bli infrastrukturen för ett interstellärt kommunikationsnätverk som kopplar djupa rymdkolonier till jorden. För närvarande förtjänar dessa ingenjörer beröm för sin framåtblickande hållning och uppfinningsrikedom.

Läs mer om andra genombrott inom materialvetenskap här.

Studier som refereras:

^{1. Norder, L., Yin, S., de Jong, M. H. J., Stallone, F., Aydogmus, H., Sberna, P. M., Bessa, M. A., & Norte, R. A. (2025). Pentagonala fotoniska kristallspegeln: Skalbara lightsails med förbättrad acceleration via neural topologi‑optimering. Nature Communications, 16, Article 2753. https://doi.org/10.1038/s41467-025-57749-y}