衍射太阳能帆船项目

      美国宇航局支持的一个开发项目利用光的衍射特性来推动太阳帆。

      NASA在推动太空探索的领域里，取得了许多重大突破。美国宇航局最近确认了200万美元的支持，以继续开发衍射太阳帆项目。

什么是太阳帆？

     太阳帆是太空探索飞行器，其操作方式与帆船大致相同，它是利用拦截的阵风来导航船只。

     在太阳帆中，太阳光产生的光压力用于机动性，光由光子粒子传递，光子粒子在精心构造的金属帆中施加力，使太阳帆能够在空间中传播，如图1所示。

图1:太空中的太阳帆。图片来源:Ilamaran Sivarajah

     美国宇航局多年来一直支持可以利用阳光推动太空飞行器的研究。

     人们的愿望范围从近地探索到行星际和星际任务。为了评估太阳帆的可行性，已经测试了许多薄膜材料。已经分析了从几米到几公里的尺寸。

     大多数为太阳帆开发的帆都使用光反射来传递动量。用于帆的材料使用反射金属涂层来吸收入射光子。衍射太阳帆使用基于光衍射的替代方法。高效、宽带宽、单衍射阶光栅的技术改进使得研究这种不同的方法成为可能。

反射光太阳帆

     图2（a）描述了反射式太阳帆的工作原理。来自阳光的部分入射光子被薄膜金属帆吸收。遵循光反射定律，在垂直于帆面的方向上产生辐射压力。施加在帆上的力与表面积的大小成比例地增长。作为参考，已经建造了10000平方米的太阳帆，相当于两个足球场的面积。太阳帆通过改变帆表面相对于太阳光线方向的角度来操纵。

相关报道

    “俯仰角”是入射光束与帆面法线之间的角度。帆的轨道可以通过倾斜俯仰角来升高或降低。有关的故事太阳能热电和太阳能电池板的区别薄膜太阳能产业正在发生惊人的增长。《新补充能源快报》中提到的光学在能源中的重要性。

反射式太阳帆的局限性

      反射太阳帆有几个缺点。由于金属片吸收光子，帆逐渐升温。太阳帆的寿命是一个问题，因为由于加热可能会发生结构损坏。在反射帆中，入射光子到转向所需的垂直推力的转换非常低。撞击帆的高百分比光子的影响微乎其微。

      此外，撞击反射帆的光子只使用一次。这些光子要么将动量传递到帆上，要么被反射回太空。

衍射太阳帆

      当光波通过开口或 狭缝 时，它们会扩散成不同的波长分量，如图2（b）所示。光的这种色散特性被定义为衍射。在光盘等有光泽的材料上可以看到的彩虹光谱是由于光衍射。

图2:(a)反射太阳帆。(b)衍射太阳帆。图片来源:Ilamaran Sivarajah

      太阳帆可以使用这种现象进行设计，其功能与反射太阳帆不同。由衍射光栅制成的帆，通常用于许多光学技术，取代了金属反射材料。光衍射理论由光栅方程描述，该方程将衍射角与波长的比值和光栅的间距联系起来。

      与反射帆不同，基于衍射光栅的太阳帆在垂直和平行方向上产生辐射压力（图2（b））。光栅设计和功能的技术进步使它们更加高效，并提供更多的控制。其中一个优点是能够电控制光栅的间距。这使他们能够操纵帆而不必倾斜帆面。

       由于衍射光栅通过间距传输光子，因此材料本身吸收的光非常少。因此，在使用衍射帆时，反射帆中通常遇到的加热效应在很大程度上得到了缓解。到达衍射帆的光子也可以重复使用。虽然光子动量的很大一部分被转移到光压力上，但其余的光可以通过太阳能电池转化为电能。二次光子也可以通过第二个光栅重定向，以产生更多的辐射压力。安装在太阳帆中的其它装置可以捕获空间中有用的研究数据，可以由太阳能电池中产生的电力提供动力。

衍射太阳帆的未来

       虽然衍射太阳帆的发展仍处于早期阶段，但全世界都对这一进展感兴趣。除了NASA之外，商业和学术组织也参与了设计和实施策略。已经概述了短期和长期路线图，多学科社区正在合作。

参考文献和延伸阅读

Amber L. Dubill， Grover A. Swartzlander， Circumnaviging the Sun with diffractive solar sails， Acta Astronautica， Volume 187， 2021， Pages 190-195， ISSN 0094-5765， https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.06.036.

Swartzlander，G.（2017）太空与天文学：衍射太阳帆可以胜过反射金属涂层帆。[在线] laserfocusworld.com。可在以下位置获得： https://www.laserfocusworld.com/optics/article/16548235/space-and-astronomy-diffractive-solar-sails-could-outperform-reflectivemetalcoated-sails

Optics.org。（2022）美国宇航局支持衍射太阳帆。[在线] Optics.org。可用位置： https://optics.org/news/13/6/1