AI-geoptimaliseerde lichtzeilen brengen interstellaire reizen dichter bij de realiteit

Wat als je licht zou kunnen varen zoals een zeilboot de wind over de oceaan berijdt? Hoewel dit concept onmogelijk lijkt, is het haalbaar dankzij verschillende wetenschappelijke ontwikkelingen door de jaren heen. Recente doorbraken in AI-geoptimaliseerde lichtzeilen zouden de sleutel kunnen zijn tot het projecteren van de reikwijdte van de mens over de Melkweg. Dit is wat je moet weten

Wat zijn lichtzeilen? De toekomst van ruimtevoortstuwing uitgelegd

Wanneer u zich een diepe ruimtereis voorstelt, is de kans groot dat u een ruimteschip met stuwraketten of een vorm van ionische boostsystemen voorstelt, zoals die in beroemde sciencefictionseries. Hoewel deze opties al tientallen jaren in ontwikkeling zijn, bestaat er één concept al honderden jaren en krijgt het nu pas zijn daglicht: lichtzeilen.

Het idee om een ​​ruimteschip te creëren dat op de lichtgolven door de Melkweg kon reizen, gaat terug tot 1608. In die tijd bespraken twee nu beroemde uitvinders, Johannes Kepler en Galileo Galilei, het idee.

Volgens de geschiedenisboeken werd Kepler geïnspireerd op een nacht nadat hij zag hoe de staart van een komeet van de zon af wees. Hij concludeerde dat het op een dag deze staart zou zijn die objecten door de ruimte zou projecteren in plaats van ze alleen maar te volgen.

Eerste echte lichtzeilinzet: een mijlpaal in 2019

Pas in 2019 kwam het eerste werkende lichtzeil op een ruimteschip terecht en functioneerde het naar behoren. Bij eerdere pogingen lukte het niet om het zeil te openen. In dit geval werd het lichtzeil uitgevouwen en gebruikt om van richting te veranderen in de baan. Dit moment markeerde de eerste keer dat een lichtzeil-voortstuwingssysteem buiten een laboratorium functioneerde.

Hoe werken lichtzeilen? De wetenschap achter fotonische voortstuwing

Lichtzeilen zijn er in vele vormen, maar ze hebben allemaal een aantal gemeenschappelijke kenmerken. Ten eerste combineren ze een ultradun reflecterend membraan dat wordt voortgestuwd door lichtstraling. Opvallend is dat deze zeilen ongeëvenaarde snelheden kunnen bereiken, waarbij sommige ingenieurs beweren dat ze een vijfde van de lichtsnelheid willen bereiken. Deze snelheid zou de mensheid in staat stellen om in tientallen jaren naar andere zonnen en sterrenstelsels te reizen, in plaats van de duizenden jaren die het zou kosten met traditionele boostsystemen.

Het Starshot Breakthrough Initiative: schieten voor Alpha Centauri

Het idee om zonnestralen de diepe ruimte in te rijden, heeft veel steun gekregen van enkele van de meest intelligente en creatieve geesten. Het Starshot Breakthrough Initiative is een goed voorbeeld van deze steun. Het project werd opgericht door Yuri Milner en de natuurkundige Stephen Hawking.

Ze voorzagen het gebruik van krachtige grondlasers om een ​​optische kracht te genereren op een reflecterend, lichtgewicht zeilmateriaal. Op een dag zal deze strategie honderden microchipsatellieten met een lage massa de diepe ruimte in stuwen. Dit netwerk van geavanceerde ruimtevaartuigen zal een groot aantal sensoren bevatten, zoals camera's, meters en sondes, die zijn ontworpen om wetenschappers thuis realtime gegevens te verstrekken.

Uitdagingen voor traditionele lichtzeiltechnologie

Het concept van lichtzeilen opent de deur voor menselijke verkenning van de diepe ruimte. Er zijn echter nog steeds veel problemen en zorgen die het gebruik van deze apparaten zeldzaam hebben gemaakt. Ten eerste is het ongelooflijk duur om lichtzeilen te maken. Traditionele lichtzeilen vereisen jarenlange geavanceerde productietechnieken die in staat zijn om nanoschaal-items te maken met behulp van specifieke materialen die zijn ontworpen om in een baan om de aarde te blijven.

Een ander probleem met de geavanceerde lichtzeilen van vandaag is dat ze niet in staat zijn om op te schalen. Ze kunnen alleen op nanoschaal worden gebouwd met de huidige methoden. Als zodanig kunnen ze momenteel niet dezelfde voordelen bieden aan grotere of zelfs bemande operaties.

Lichtzeilen maken ook gebruik van een zeer specifieke geometrie, inclusief microscopische gaten als een manier om gewicht te verminderen. Net als bij traditionele zeilen, betekent minder gewicht snellere reistijden en lanceringen. De unieke geometrieën en strenge prestatie-eisen van lichtzeilen maken het echter erg moeilijk om ze te gebruiken voor grotere projecten.

AI-geoptimaliseerde lichtzeilen: een game-changer in diepe ruimtereizen

Nu heeft een team van onderzoekers van Brown University en de Technische Universiteit Delft een nieuwe AI-geoptimaliseerde lichtzeilenfabricagemethode ontgrendeld die alles zou kunnen veranderen. De “Pentagonale fotonische kristalspiegels: schaalbare lichtzeilen met verbeterde versnelling via neurale topologie-optimalisatie'¹ gepubliceerd in Nature Communications, introduceert een door AI ondersteunde ontwerp- en creatiemethode voor lichtzeilen die de potentie heeft om de hele industrie te verbeteren.

 Binnen het AI-gestuurde lichtzeilontwerpproces

De ingenieurs ontwikkelden een nieuwe gasgebaseerde etsstrategie met behulp van ultradunne, ultrareflecterende membranen van enkellaags siliciumnitride. Deze aanpak verwijdert voorzichtig materiaal onder het zeil totdat de gewenste dikte en vorm zijn bereikt.

In dit geval ontwierpen ingenieurs een pentagonale roostergebaseerde fotonische kristal (PhC) reflector die lichtgewicht prestaties en duurzaamheid bood. Het lichtzeil was 2.4 inch lang. Waanzinnig genoeg waren de ingenieurs in staat om een ​​dikte van 200 nanometer te bereiken. Deze meting betekent dat dit zeil veel dunner is dan een streng mensenhaar, maar toch in staat is om aanzienlijke druk te verwerken wanneer het is geïnstalleerd.

Interessant genoeg besloten de ingenieurs om de gaten aan de rand van het zeil 3% groter te maken dan de gaten op de interne delen van het zeil. Dit ontwerp zorgt ervoor dat de reflectiviteit toeneemt door het reflectiviteitsspectrum met 10-20 nm te verschuiven.

Bron – Brown

Fotonische kristallen en siliciumnitride: materialen van de toekomst

Alle ingewikkelde ontwerpen zijn bedoeld om de reflectiviteit in het zeil te maximaliseren. Reflectiviteit zorgt ervoor dat er lichte druk kan opbouwen en het vaartuig kan projecteren. Als zodanig is het van vitaal belang bij het bepalen van prestaties, snelheid en zelfs starttijden. De ingenieurs erkenden dit feit en gebruikten geavanceerde AI om ervoor te zorgen dat ze de reflectiviteit optimaliseerden.

Onderzoekers van Brown University en TU Delft creëerden een AI-aangedreven neuraal topologie-optimalisatiemodel dat lichtzeilen in recordtijd en met ongeëvenaarde prestaties kon ontwerpen en fabriceren. Door recente doorbraken in materiaalkunde, bouwkunde en optica te combineren, kunnen ingenieurs het grootste en meest effectieve lichtzeil ooit creëren.

Het team hanteerde een unieke aanpak omdat ze hun AI-systeem gebruikten vóór eindige-elementenanalyses. Deze strategie verschuift het optimalisatieprobleem naar het vinden van de gewichten en biases van het neurale netwerk, waardoor engineers geoptimaliseerde vorm, grootte en plaatsing kunnen bereiken.

Lichtzeilen zijn ingewikkeld gepatroneerd met miljarden nanoschaalgaten die zijn ontworpen om de reflectiviteit te vergroten en het gewicht te verminderen. Deze kleine gaatjes zijn kleiner gemaakt dan de diameter van lichtstralen, waardoor ze licht kunnen sturen om kracht te genereren. Indrukwekkend genoeg verbetert deze aanpak de prestaties, acceleratie en tolerantie voor Dopplerverschuivingen en verlaagt het de lancerings- en productiekosten.

Doorbraak in fabricage: van jaren naar dagen en 9000x goedkoper

De ingenieurs testten hun gefabriceerde lichtzeil met behulp van verschillende methoden om ervoor te zorgen dat het werkte zoals gepland. Opvallend is dat het team een ​​reflector van 60 × 60 mm2 en 200 nm dik fabriceerde. Het zeil integreerde +1B nanoschaalfuncties en werd geproduceerd voor een prijs die gelijk was aan 9000 keer goedkoper dan traditionele methoden. Bovendien duurde het slechts een dag om te maken, vergeleken met decennia met behulp van oudere methoden.

Prestatietesten van het door AI ontworpen lichtzeil

De testresultaten bewezen dat de nieuwe en verbeterde lichtzeilen betere prestaties leveren en betaalbaarder zijn. Het nieuwe fabricageproces is schaalbaar en zou op een dag een onmisbaar onderdeel van interstellaire reisplannen kunnen blijken. Aanvullende gegevens onthulden dat het nieuwe lichtzeilontwerp robuuster en gevoeliger was voor de lichtstraling die het voortstuwt.

Een cool detail van dit lichtzeil is dat het is ontworpen om bidirectionele mogelijkheden te bieden. Eerdere lichtzeilen konden alleen in de richting gaan waarin ze gericht waren toen het licht werd toegepast. Dit ontwerp biedt mogelijk meer directionele flexibiliteit vanwege het verbeterde reflectieprofiel.

Van laboratorium tot lancering: praktische toepassingen van lichtzeilen

Er zijn veel voordelen die deze lightscale-fabricatie op de markt zal brengen. Ten eerste biedt het een betrouwbare methode om het hoogste aspect ratio nanofotonische zeil ooit te creëren. Deze methode kan nanofotonische ontwerpen in minder dan 24 uur voltooien. Dit tijdsbestek vernietigde oudere methoden die vele jaren duurden.

De rol van AI bij het revolutioneren van ruimtematerialen

Een ander voordeel van deze studie is dat het de deur opent voor grote innovaties in het ontwerp, de fabricage en het testen van deze materialen. Ingenieurs zijn er al in geslaagd om het grootste lichtzeil te creëren met behulp van deze strategie. In de toekomst kunnen AI-geoptimaliseerde fabricagemethoden helpen om een ​​nieuw niveau van innovatie te ontsluiten.

Uiteindelijk komt het allemaal neer op kosten. Deze aanpak voor de productie van lichtzeilen is duizenden keren goedkoper dan alternatieven. Deze beheersbare prijs zal meer wetenschappers en onderzoekers in staat stellen om lichtzeilen in hun projecten te integreren, wat de acceptatie en het onderzoek stimuleert.

Maak kennis met de onderzoekers achter de Lightsail-innovatie

De AI-geoptimaliseerde lichtzeilstudie werd geleid door co-auteurs Miguel A. Bessa en Richard A. Norte. Ze werden bijgestaan ​​door collega's van Brown University en de Technische Universiteit Delft. Met name Lucas Norder, Shunyu Yin, Matthijs HJ de Jong, Francesco Stallone, Hande Aydogmus en Paolo M. Sberna hebben bijgedragen aan het rapport. Daarnaast ontving het experiment financiering van de Europese Unie en een Limitless Space Institute I2 Grant.

In de komende maanden hopen ingenieurs hun zeilontwerp te verbeteren met behulp van meer AI-assistentie om te brainstormen over experimentele lay-outs. Met dit systeem kunnen ingenieurs simulaties gebruiken om verschillende configuraties van de miljarden nanoschaalgaten te testen die zijn ontworpen om de reflectiviteit te verbeteren en de massa te verminderen.

Lichtzeilen en interstellaire communicatie: de volgende grens

Ruimtevaart is de primaire toepassing voor deze apparaten en de nieuwe fabricagemethoden die ingenieurs hebben ontwikkeld. Deze doorbraak verbetert de haalbaarheid van lasergestuurde interstellaire ruimtesondes aanzienlijk, waardoor schaalbare, ultralichte nanofotonische zeilen mogelijk worden. U zou dit productieproces in de toekomst ook kunnen gebruiken om andere lichtaangedreven apparaten te maken.

Geavanceerde communicatiesystemen

Stel je duizenden kleine nanosatellieten voor die als een relais werken om je bericht door sterrenstelsels te sturen. Deze functie is niet ver weg, aangezien deze systemen zichzelf van stroom voorzien en tientallen jaren in de barre ruimte kunnen overleven.

Investeren in fotonica

De markten voor fotonica en nanofabricatie zitten vol met bedrijven die innovatie blijven stimuleren. Deze bedrijven hebben aanzienlijke bedragen uitgegeven aan R&D, waardoor ze de technologie voortdurend naar nieuwe hoogten kunnen pushen. Hier is een bedrijf dat een reputatie heeft verworven als leider in de fotonicasector en meer.

Toegepaste materialen Inc.

Applied Materials Inc. (AMAT + 0.55%) betrad de markt in 1967 als een chemische toeleveringsbedrijf. De oprichter van het bedrijf, Michael A. McNeilly, verlegde de focus van het bedrijf snel naar het bieden van ondersteuning aan de bouwhalfgeleidermarkt nadat het bedrijf slechts tien jaar open was. Tegenwoordig is Applied Materials goed gepositioneerd om de productie van fotonische kristallen en geavanceerde halfgeleidermaterialen te ondersteunen die worden gebruikt in ruimteschipcomponenten.

Sinds de lancering heeft Applied Materials consequent grootschalige overnames gedaan, die haar netwerken en aanbod hebben uitgebreid. Het bedrijf heeft met name Etec Systems, Opal Technologies, Baccini en vele anderen overgenomen. Elke overname verdiepte de marktpositionering en invloed van het bedrijf.

Momenteel exploiteert Applied Materials het grootste zonnetechnologiecentrum ter wereld. Daarnaast is het nog steeds een wereldleider in nanofabricatie en fotonica. Als zodanig moeten degenen die op zoek zijn naar exposure bij een gerenommeerde fabrikant van fotonica hun onderzoek naar Applied Materials voortzetten.

Laatste nieuws over Applied Materials Inc

Wat is de toekomst van AI-geoptimaliseerde lichtzeiltechnologie?

Er zijn nog een paar details die ingenieurs moeten oplossen om deze technologie uit het lab naar de praktijk te brengen. Ten eerste moeten ze blijven experimenteren met nieuwe en lichtere materialen om ervoor te zorgen dat ze bestand zijn tegen de barre omstandigheden in de ruimte.

Bovendien moeten deze systemen nog volledig in de ruimte worden getest. De volgende fase van het proces zal dus bestaan ​​uit het lanceren van deze kleine apparaten en het monitoren van hun acties om te garanderen dat hun prestaties voldoen aan de strenge normen die vereist zijn voor decennia van interstellaire vluchten en communicatie.

AI-geoptimaliseerde lichtzeilen

Als alles goed gaat, hebben AI-geoptimaliseerde lichtzeilen het potentieel om mensen een glimp te laten opvangen van andere sterrenstelsels in slechts 10-20 jaar. Deze systemen zullen op een dag ook de infrastructuur worden voor een interstellair communicatienetwerk, dat diepe ruimtekolonies verbindt met thuis. Voor nu verdienen deze ingenieurs lof voor hun vooruitstrevende houding en vindingrijkheid.

Leer meer over andere doorbraken in de materiaalkunde hier.

Geraadpleegde studies:

^{1. Norder, L., Yin, S., de Jong, MHJ, Stallone, F., Aydogmus, H., Sberna, PM, Bessa, MA, & Norte, RA (2025). Pentagonale fotonische kristalspiegels: schaalbare lichtzeilen met verbeterde versnelling via neurale topologie-optimalisatie. Natuurcommunicatie, 16, Artikel 2753. https://doi.org/10.1038/s41467-025-57749-y}