NASA i ZeCoat: Przełomowa ultraczarna powłoka pomoże dostrzec życie na egzoplanetach!

Poszukiwanie światów nadających się do życia poza Układem Słonecznym to nie tylko ambitne zadanie, ale też prawdziwe wyzwanie dla fizyki. Światło gwiazdy jest miliardy razy jaśniejsze niż maleńki blask odbijający się od jej planety. Astronomowie lubią porównywać to do próby dostrzeżenia komara latającego obok potężnego reflektora w odległości kilku kilometrów. Aby zobaczyć „owada”, reflektor należy czymś zasłonić.

W tym celu w Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL) NASA pracują nad projektem Starshade („Gwiezdny ekran”). To gigantyczne urządzenie w kształcie kwiatu o rozmiarze połowy boiska piłkarskiego. Ma lecieć tysiące kilometrów przed teleskopem, precyzyjnie zasłaniając dysk odległej gwiazdy i pozostawiając w zasięgu wzroku jedynie jej planety. Problem polega na tym, że do bezbłędnej pracy krawędzie tego ekranu muszą być ostrzejsze niż brzytwa — około 300 nanometrów. Jednak nawet na takich krawędziach światło słoneczne rozprasza się, tworząc „szum świetlny”, który oślepia czułą optykę.

Problem „grubych” nanorurek

Poprzednie próby rozwiązania problemu rozpraszania światła za pomocą węglowych nanorurek lub innych superczarnych powłok zakończyły się niepowodzeniem. Okazało się, że są one zbyt grube — kilka mikronów. To „tępi” ostry brzeg ekranu, co w sposób paradoksalny tylko zwiększa rozpraszanie światła zamiast je pochłaniać. Zamiast cienkiej linii otrzymaliśmy więc puszystą powierzchnię, która działała jako dodatkowe źródło odbić.

Założyciel firmy ZeCoat, David Sheikh, zaproponował zasadniczo inne podejście. Zamiast nakładania „futra” z węgla, zastosował metodę fizycznego osadzania pary do stworzenia wielowarstwowego „sandwicha” z metali i szkła. Powłoka okazała się 100 razy cieńsza od wszystkich poprzednich próbek, co pozwoliło zachować krytyczną ostrość krawędzi Starshade.

Kiedy fizyka staje się pułapką dla fotonów

Zasada działania tej technologii jest subtelna: światło wnika w nanometryczne jamy między warstwami i zostaje w pułapce. Zamiast odbicia, fotony rezonują wewnątrz, jak fala stojąca w laserze (zasada rezonatora Fabry-Perot), i są całkowicie pochłaniane przez metal. Testy za pomocą skanera laserowego wykazały, że powłoka zmniejsza ilość odbitego światła 20 razy. To w zupełności wystarczy, aby teleskop mógł „odfiltrować” gwiazdę i uzyskać wyraźny obraz egzoplanety.

Technologia już się skalowalna: ZeCoat nauczyli się nakładać powłokę metodą „rolki na rolkę” na ogromne arkusze folii polimidowej. Dzięki temu można pokryć nie tylko krawędzie, ale także całą powierzchnię płatków kosmicznego ekranu. Główną platformą dla zastosowania nowości będzie Habitable Worlds Observatory (Obserwatorium Światów Nadających się do Życia). NASA planuje użyć tej powłoki do ochrony przyszłego flagowego teleskopu przed mikrometeorytami i przegrzaniem.

Superczarna folia przyda się także w bardziej przyziemnych sprawach: od przyciemnienia satelitów Starlink, żeby nie psuły zdjęć naziemnym astronomom, po eliminację wewnętrznych odbić w aparatach smartfonów. W końcu kontrola nad światłem i widocznością obiektów w kosmosie to skomplikowany temat, i podczas gdy jedni walczą z odbiciami, inni ukrywają dane, jak SpaceX ukrywa współrzędne satelitów Starlink, próbując balansować pomiędzy prywatnością a publicznością danych orbitalnych.