Ученые приблизились к идее межзвездного движения без топлива

Исследователи из Техасского университета A&M (Лаборатория передовой нанофотоники) разработали экспериментальную двигательную систему, в которой движение объектов создается исключительно за счет лазерного излучения. Результаты опубликованы в журнале Newton. 

Метаджеты и метаповерхности

Ключевой элемент технологии — «метаджеты». Это микроскопические устройства, созданные на основе метаповерхностей. Такие поверхности представляют собой тончайшие материалы, на которые нанесены наноструктуры. Эти структуры работают как набор «оптических пикселей», которые можно настраивать так, чтобы свет вел себя строго определенным образом: отражался под заданными углами, изменял фазу или перераспределял энергию.

Сама метаповерхность — это не просто гладкая пластина, а инженерно «программируемая» поверхность для света. Как в цифровой фотографии каждый пиксель влияет на изображение, так здесь каждая наноструктура влияет на поведение фотонов.

Как свет превращается в движение

Физический принцип основан на передаче импульса. Фотоны, попадая на поверхность и отражаясь от нее, передают ей микроскопический толчок. Это аналогично тому, как поток мелких шариков ударяет в легкую пластину: один удар почти незаметен, но их совокупность создает движение.

Когда на такие элементы направляли лазерный луч строго сверху, происходило сразу два эффекта. Во-первых, устройство начинало смещаться вбок, то есть появляется горизонтальное движение. Во-вторых, одновременно фиксировало подъем — частичная левитация над поверхностью среды.

Исследователи подчеркивают, что тяга возникает без химической реакции и без выброса массы — в отличие от ракетных двигателей. Вся энергия поступает извне в виде лазерного луча.

«Когда лазерный свет отражается от поверхности, он оказывает крошечную силу, способную толкать объект вперед», — описывают принцип авторы работы.

Управление движением в пространстве

Главное достижение команды — возможность управлять движением в трех измерениях. За счет изменения геометрии наноструктур на поверхности метаджетов удалось добиться не только поступательного движения, но и подъема, вращения и изменения траектории.

Ранее оптические системы такого типа либо ограничивались движением вдоль одной оси, либо требовали сложной внешней модуляции самого лазерного луча. В новой схеме управление «встроено» в сам материал, что снижает зависимость от внешней оптики.

Эксперименты в контролируемой среде

Испытания проводились с объектами размером меньше толщины человеческого волоса. Для стабилизации использовалась жидкая среда, компенсирующая влияние гравитации и позволяющая точно фиксировать перемещения.

Это важный технический момент: на Земле сила тяжести легко «перекрывает» слабые фотонные воздействия. Поэтому подобные эксперименты почти всегда требуют среды, где движение можно наблюдать без доминирующих внешних сил.

Потенциал для космоса и ограничения

Авторы работы утверждают, что при масштабировании и наличии мощных лазерных источников принцип может быть применен к более крупным системам. В теории это открывает путь к безтопливным зондовым платформам.

В более смелых сценариях рассматриваются межзвездные миссии. По оценкам исследователей, современные ракеты потребовали бы сотни тысяч лет для достижения Альфа Центавра. Лазерные двигательные концепции, включая световые паруса и аналогичные системы, в долгосрочной перспективе могут сократить это время примерно до 20 лет. Однако эта оценка остается теоретической и зависит от уровней энергетики и масштабирования.

Важно уточнение: текущая демонстрация не является прототипом космического двигателя. Она подтверждает только физическую управляемость микрообъектов светом.

Что дальше

Следующий шаг — эксперименты в условиях микрогравитации. Это позволит исключить влияние веса и проверить, насколько эффективно фотонное давление работает в «чистом» режиме.

Если принципы подтвердятся, технология может найти применение не только в космосе. Среди возможных направлений — микроробототехника, сверхточное перемещение элементов в производстве и управление микро- и наносистемами без физического контакта. Также рассматривается интеграция в датчики и лабораторные системы, где критична бесконтактная манипуляция объектами.