Onderzoekers van TU Delft en Brown University hebben een manier gevonden om superdunne, reflecterende lichtzeilen te maken die de ruimtevaart en experimentele natuurkunde een enorme stap vooruit kunnen helpen. Hun onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, laat zien hoe nieuwe materialen en productietechnieken leiden tot de dunste én grootste reflectoren die ooit gemaakt zijn.
Beelden TU Delft
Lichtzeilen zijn extreem dunne structuren die worden aangedreven door laserlicht. Ze kunnen de druk van het licht gebruiken om een ruimtesonde op hoge snelheid voort te stuwen. Anders dan traditionele nanotechnologie, waarbij alles zo klein mogelijk wordt gemaakt, zijn lichtzeilen nanoschaal in dikte—ongeveer 1/1000ste van de dikte van een haar—maar kunnen ze worden uitgerekt tot grote oppervlakken.
Het maken van een lichtzeil zoals bedacht in het Starshot Breakthrough Initiative, zou met de huidige technieken zo’n 15 jaar duren, voornamelijk omdat het bedekt is met miljarden hele kleine gaatjes. Dankzij nieuwe technieken kan het team, met promovendus Lucas Norder als eerste auteur, dit nu in één dag doen.
Breakthrough Starshot Initiative
Op dit moment zouden onze snelste raketten er zo’n 10.000 jaar over doen om de dichtstbijzijnde ster buiten ons zonnestelsel te bereiken. Het Breakthrough Starshot Initiative, waarbij duizenden onderzoekers samenwerken, wil die reis verkorten naar slechts 20 jaar. Hoe? Door ultralichte ruimtesondes ter grootte van een microchip te ontwikkelen die worden aangedreven door lasers. Het doel: de eerste interstellaire verkenning door de mensheid. Dit initiatief maakt deel uit van de Breakthrough Initiatives, een programma dat wordt gefinancierd door particuliere investeerders. Starshot werd in 2016 gelanceerd door Yuri Milner en Stephen Hawking.
Een frisse kijk op nanotechnologie
“Dit is niet zomaar een kwestie van nóg kleinere dingen maken”, zegt Richard Norte, universitair hoofddocent aan de TU Delft. “We denken compleet anders na over nanotechnologie. We maken structuren die dunner zijn dan ooit, maar die tegelijkertijd enorm groot kunnen worden.” Het huidige prototype meet 60 mm x 60 mm en is 200 nanometer dik, bedekt met miljarden nanoscopisch kleine gaatjes. “Dit is een belangrijke vooruitgang in de fabricage van grootschalige lichtzeilen.”
“Andere recente ontwikkelingen in het veld, zoals van Caltech, hebben nanoschaalcontrole over zeilstructuren op micrometerschaal aangetoond, terwijl onze aanpak opschaalt naar centimeterschaal met behoud van nauwkeurige productie op nanoschaal”, vervolgt Norte. Als het lichtzeil van Norte en zijn collega’s wordt opgeschaald, zou het een lengte kunnen bereiken van zeven voetbalvelden met een dikte van slechts één millimeter. “Het is niet alleen de hoge aspectverhouding die dit materiaal bijzonder maakt; het is de gelijktijdige combinatie van grootschaligheid en nanoschaal in hetzelfde materiaal die het licht en reflecterend maakt”, zegt Norte.
De onderzoekers gebruikten slimme computermodellen en nieuwe productietechnieken om dit te bereiken. ‘We hebben een nieuwe productiemethode ontwikkeld waarmee we het materiaal onder het zeil voorzichtig weghalen. Dat laat alleen het ultradunne zeil over”, zegt Norte. “Als er iets misgaat, is dat meestal tijdens de productie. Maar zodra de zeilen hangen, zijn ze verrassend stevig. Deze aanpak hebben we speciaal bij de TU Delft ontwikkeld.”
Link magazine februari/maart 2025. Thema: Artificial Intelligence als onderdeel van je processen. Vraag exemplaar op met de ranking van De Makers Top 100. Vraag een exemplaar aan bij Mireille.vanginkel@linkmagazine.nl
Dr. Miguel Bessa van Brown University vult aan: “We combineren de nieuwste optimalisatietechnieken om creatieve en onverwachte ontwerpen te bedenken. Door neurale netwerken te gebruiken samen met topologie-optimalisatie hebben we ontwerpen gemaakt die grenzen verleggen in zowel nanotechnologie als grootschalige productie.”
Oneindige mogelijkheden
Met laserlicht als aandrijving kunnen deze lichtzeilen ruimtesondes razendsnel laten reizen. In theorie zou een sonde met deze techniek in de tijd van een internationale postbezorging op Mars kunnen aankomen. Zulke enorme afstanden zullen voorlopig een doel voor de toekomst blijven. Recente studies hebben aangetoond dat vergelijkbare lichtzeilen momenteel over afstanden zo klein als picometers worden voortgestuwd. Norte en zijn team bereiden nu experimenten voor om hun nieuwe lichtzeilen over afstanden in centimeters te bewegen, tegen de zwaartekracht van de aarde in. “Het klinkt misschien niet als veel, maar dit zou 10 miljard keer verder zijn dan alles wat tot nu toe met lasers is voortgestuwd.”
Een universum vol mogelijkheden
Naast ruimteverkenning kunnen deze materialen ook nieuwe inzichten bieden in de experimentele natuurkunde. Doordat je objecten met hoge snelheid kunt versnellen, kun je bijvoorbeeld licht-materie-interacties en relativistische natuurkunde op grote schaal onderzoeken.
“Dit door de EU gefinancierde project zet Delft in de voorhoede van nanotechnologie,’ zegt Norte. ‘Nu we deze lichtzeilen zo groot kunnen maken als halfgeleider-wafers, onderzoeken we wat er mogelijk is met de huidige technieken in nanofabricage, lasers en ontwerp. Misschien is dat wel spannender dan ruimtevaartsondes buiten ons zonnestelsel. Wat ik zelf bijzonder vind, is dat we met deze ultradunne materialen fundamentele vragen kunnen beantwoorden, zoals: hoe snel kunnen we een object eigenlijk versnellen? Die vragen openen weer nieuwe, spannende onderzoeksrichtingen.”
