Wetenschappers vinden per ongeluk een ruimtemotor uit die loopt op laser

Een Chinees team van fysici heeft een nieuwe vorm van op licht gebaseerde voortstuwing ontdekt. Het idee heeft de mogelijkheid om veel grotere krachten te generen dan het tot nu toe conventionele lichtzeil, dat licht vangt en omzet in stralingsdruk op dezelfde manier als een normaal zeil wind gebruikt. Het idee, bedacht door een op de Nankai University gebaseerde groep vervangt het gespiegelde lichtzeil door een volledig zwarte spons van grafeen. In plaats van het licht te reflecteren wordt het geabsorbeerd door de spons, om vervolgens te worden omgezet tot energie.

Het werk van de groep werd deze week gepubliceerd in Nature Photonics.

Het gebruiken van licht en lasers om spullen te bewegen is niet nieuw. Wetenschappers bewegen, vangen, leviteren en trekken aan allerlei soorten objecten op micro en nanoschaal, waaronder grafeen, maar ook cellen, virussen, moleculen en atomen. Erg kleine dingen dus.

In een bepaalde vorm is het concept bekend als optisch pincet, die in het echte leven best veel worden gebruikt. Het is echter tot nu toe een droom geweest om op licht gebaseerde manipulatie op te schalen naar gebruik in de macroscopische wereld, onze wereld zoals we hem zien.

"Als deze optische operaties werden uitgevoerd met grote objecten op een macroscopisch schaal zouden significante toepassingen zoals de lang gezochte directe optische manipulatie van macroscopisch objecten - waaronder het zonnezeil en ruimtelijke transportatie via laser of straal voortstuwing - worden gerealiseerd," schrijft de Chinese groep die wordt geleid door professor Yongsheng, gespecialiseerd in civiele en milieukundige technologie.

Hier komt de spons van grafeen in het spel, met exact die macroscopische manipulatie waar we het over hadden.

Dit is het algemene idee: Grafeen absorbeert licht als de beste, wat het de perfecte kandidaat maakt voor een licht'spons'. Het resultaat, waar in het paper aan gerefereerd wordt als "efficiënt licht-geïnduceerde uitgeworpen elektronenemissie" is dat de elektronen in het materiaal opgewekt worden en een hogere staat van energie bereiken. Hierdoor kunnen er elektronen uit het materiaal schieten, wat een terugwaartse kracht veroorzaakt. Dit was te verwachten aan de hand van de mechanica van Newton. Elke actie zorgt namelijk voor een zelfde en tegengestelde tegenreactie. Hier is die reactie een beweging of een overbrenging van impuls. In minder woorden: De spons beweegt.

Het lastige aan het hele probleem is het werken met grafeen. Grafeen is een 2D rooster van koolstofatomen. Een perfect platte, één atoom-dikke plaat. Door het op elkaar leggen van deze platen vernietig je veel van de bijzondere eigenschappen die het materiaal heeft, zoals de ongelooflijke kracht van het materiaal dat ondanks zijn dikte kogelwerend is en vele maler sterker dan staal. Daarnaast is het zeer geleidend.

Yongsheng Chen en zijn team ontdekte de lichtstuwende eigenschappen van gestapeld grafeen per ongeluk. "Toen we een grafeen spons in de lucht sneden met een laser observeerden we opeens met onze blote oog dat de spons bewoog, wat zeer sterk tegen onze ideeën over eerder beschreven microscopische effecten door lichtdruk in ging. Om de invloed van lucht te beperken werd de rest van de studie uitgevoerd in vacuum of de mogelijkheid dat verhitte lucht er iets mee te maken had uit te sluiten. Daarnaast vermeden we zo de lokale ontbranding van het grafeen door de aanwezigheid van zuurstof."

Wat volgde was een serie van experimenten waarbij grafenen sponzen werden gebruikt die opgesloten werden in verticale en horizontale buizen, waarna er stralen licht op werden geschenen. Dit zorgde ervoor dat het materiaal ofwel ging zweven ofwel de andere kant van de buis op vloog. Door de afstand van de lichtbron tot het materiaal te veranderen kon het effect worden versterkt of verzwakt. Het mechanisme achter de beweging, het uitwerpen van opgewekte elektronen, werd verder gecontroleerd met behulp van röntgen fotonelektron spectroscopie om de uitgezonden deeltjes te meten.

Het voortstuwing systeem kan ook werken met andere opgestapelde 2D materialen zoals silicium, germanium en andere dunne vliezen. Het opent de deur naar het praktische macroscopische gebruik van dit fenomeen, volgens Chen en co.

"Hoewel de stuwenergie kleiner is dan de energie die we uit chemische raketten krijgen is het al vele ordes dan de energie die we krijgen uit lichtduk," concluderen de onderzoekers. "De stuwkracht zou verder kunnen worden vergroot door het veranderen van de lichtintensiteit of het sleutelen aan het belichte oppervlak. Met behulp van een verstelbare laseropstelling zouden we de hoogte en route van een ruimteschip kunnen aanpassen of een lading kunnen transporteren door de ruimte. En dat alles met alleen het gebruik van licht."

Een gratis versie van Chen's paper is te lezen op de arXiv server.