Ученые Создали Макроскопический Притягивающий Луч Используя Лазерный Луч

Тяговые лучи имеют интуитивный смысл. Материя и энергия взаимодействуют друг с другом бесчисленными способами по всей Вселенной. Магнетизм и гравитация – это естественные силы, которые могут притягивать объекты друг к другу, так что есть своего рода прецедент.

Но разработка настоящего тягового луча – это нечто другое.

Притягивающий луч – это устройство, которое может перемещать объект на расстоянии. Идея взята из научно-фантастического рассказа 1931 года под названием “Космические гончие МПК“.:

“Есть такая вещь, как лучевой экран, ты убиваешь удовольствие, и есть также подъемные или тягловые лучи – две вещи, которые я пытался использовать, и которые вы подбадривали меня в Бронксе.

«Есть такая вещь, как лучевой экран, вы, килл-джой, и есть также подъемные или тяговые лучи – две вещи, в которых я пытался разобраться, и которые вы давали мне в Бронксе. У Титанианцев уже давно есть тягловый луч – он прислал мне полную информацию по нему – а у Джовианцев есть оба. Мы получим их через три дня, и должно быть довольно просто сделать наоборот тяговый – толкающий или прижимной луч».

Если бы в научной фантастике было что сказать по этому поводу, тягловые лучи уже были бы обычным явлением, и мы могли бы поблагодарить “Звездный путь” и “Звездные войны” за их популяризацию.

Но тяговые лучи уже существуют, хотя их радиус действия невелик.

Микроскопические притягивающие лучи используются в устройствах, называемых оптическими пинцетами. Оптические пинцеты используют лазеры для перемещения микроскопических объектов, таких как атомы и наночастицы. Они используются в биологии, нанотехнологиях и в медицине.

Эти притягивающие лучи воздействуют на микроскопические объекты, но недостаточно сильны, чтобы притягивать более крупные макроскопические объекты.

Теперь команда исследователей успешно продемонстрировала макроскопический притягивающий луч. Они опубликовали статью, объясняющую их работу, в журнале Optics Express. Его название – “Макроскопическое лазерное вытягивание, основанное на силе Кнудсена в разреженном газе“, а ведущим автором является Лэй Ван из Университета науки и техники Циндао в Китае.

«В предыдущих исследованиях сила притяжения света была слишком мала, чтобы притянуть макроскопический объект», – сказал Ван.

«Благодаря нашему новому подходу сила притяжения света имеет гораздо большую амплитуду. Фактически, это более чем на три порядка больше светового давления, используемого для приведения в движение солнечного паруса, который использует импульс фотонов для создания небольшой толкающей силы».

Этот макроскопический притягивающий луч работает только в определенных лабораторных условиях, так что это демонстрация, а не практическая разработка. По крайней мере, пока.

Прежде всего, это работает на специально созданных объектах: макроскопических объектах из композита графен-SiO2, которые исследователи создали для экспериментов.

Во-вторых, он работает в разреженной газовой среде, которая имеет гораздо более низкое давление, чем атмосфера Земли. Хотя это ограничивает их эффективность здесь, на Земле, не в каждом мире такое высокое атмосферное давление, как на нашей планете.

«Наша методика обеспечивает бесконтактный подход к вытягиванию на большие расстояния, который может быть полезен для различных научных экспериментов», – сказал Ван.

«Разреженная газовая среда, которую мы использовали для демонстрации техники, похожа на ту, что находится на Марсе. Следовательно, у него может быть потенциал для того, чтобы однажды управлять транспортными средствами или летательными аппаратами на Марсе».

Их устройство работает по принципу газового отопления. Лазер нагревает составные объекты, но одна сторона горячее другой. Молекулы газа на обратной стороне получают больше энергии, которая притягивает объект. В сочетании с более низким давлением в среде разреженного газа объект перемещается.

Исследователи построили крутильное или поворотно–маятниковое устройство, изготовленное из композитной структуры графен–SiO2, чтобы продемонстрировать явление лазерного притяжения. Эта демонстрация сделала его видимым невооруженным глазом. Для измерения эффекта они использовали другое устройство.

«Мы обнаружили, что сила притяжения была более чем на три порядка больше, чем давление света», – сказал Ван. «Кроме того, лазерное вытягивание повторяется, и силу можно настроить, изменив мощность лазера».

Другие исследователи в последние годы занимались тягловыми лучами со смешанными результатами. НАСА было заинтересовано в реализации идеи использования тягловых лучей для сбора образцов с помощью марсохода MSL Curiosity surface. Одним из инструментов Curiosity является ChemCam.

Он включает в себя лазер, который испаряет горную породу или реголит, а затем микровизор для спектроскопического измерения ее компонентов. Но НАСА задалось вопросом, может ли притягивающий луч вытянуть крошечные частицы из испаренного образца в марсоход для более полного исследования.

В презентации NASA NIAC от 2010 года говорилось: «Если бы технология тяглового луча была включена в “ChemCam2” для улавливания частиц пыли и плазмы, тягловые лучи могли бы добавить набор дополнительных научных возможностей:

• лазерная десорбционная ионная спектроскопия
• масс-спектрометрия
• RAMAN спектроскопия
• рентгеновская флуоресценция»

В той же презентации говорилось, что притягивающие лучи могут быть использованы для сбора частиц из хвостов комет, ледяных шлейфов на Энцеладе и даже облаков в атмосфере Земли или других атмосфер.

Это так и не осуществилось, но это иллюстрирует, насколько убедительна эта идея.

Это новое исследование дало интересные результаты, хотя оно и близко не имеет реальной практической реализации. Требуется много работы и инженерных разработок, прежде чем это хотя бы приблизится к практической реализации.

Во-первых, должна быть хорошо понятная теоретическая основа, описывающая, как эффект работает на объектах разных размеров и форм и с лазерами разной мощности в разных атмосферах.

Исследователи, конечно, знают об этом, но отмечают, что это все еще является эффективной демонстрацией практической осуществимости.

«Наша работа демонстрирует, что гибкие световые манипуляции с макроскопическим объектом возможны, когда взаимодействие между светом, объектом и средой тщательно контролируется», – сказал Ван.

«Это также показывает сложность взаимодействия лазера с веществом и то, что многие явления далеки от понимания как на макро, так и на микроуровне».

Критическая часть заключается в том, что это исследование переводит тягловые лучи с микроскопического уровня на макроскопический. Это важный порог, который трудно преодолеть.

«Эта работа расширяет область оптического вытягивания с микромасштабов на макроуровни, что имеет большой потенциал в макромасштабных оптических манипуляциях», – пишут авторы в своем заключении.

Космические корабли вполне могут однажды использовать притягивающие лучи, но вряд ли они будут выглядеть так, как в научной фантастике. “Звездные войны”, “Звездный путь” и “Космические гончие МПК” – все они используют тягловые лучи в бою и конфликтах.

Но на самом деле они могли бы оказаться ценными научными инструментами.

Источник новости Universe Today