Caltech Temukan Metode Baru untuk Mengukur Gaya Cahaya pada Layar Cahaya, Mempercepat Perjalanan Antarbintang

PARA ilmuwan di California Institute of Technology (Caltech) mengambil langkah besar menuju pengembangan layar cahaya (lightsails), yang suatu hari nanti dapat membawa pesawat ruang angkasa kecil ke sistem bintang yang jauh.

Temuan baru ini menjelaskan metode untuk mengukur gaya cahaya laser pada apa yang dikenal sebagai "membran ultra-tipis." Penelitian ini dapat membantu memajukan visi Breakthrough Starshot Initiative untuk perjalanan luar angkasa yang didorong oleh laser.

Diluncurkan tahun 2016 oleh mendiang Stephen Hawking dan investor teknologi Yuri Milner, Breakthrough Starshot bertujuan untuk mengirimkan probe mini ke Alpha Centauri, sistem bintang terdekat dengan Bumi. Rencana ini mengandalkan laser berdaya tinggi di Bumi yang mendorong probe-probe dengan layar yang sangat tipis di alam semesta seperti angin yang mendorong kapal layar di Bumi, memungkinkan pesawat ruang angkasa mencapai kecepatan yang memecahkan rekor tanpa memerlukan bahan bakar kimia.

Baca juga : SpaceX Kehilangan Komunikasi dengan Astronaut Swasta Sebelum Spacewalk Bersejarah

Lightsails adalah bentuk lebih umum dari layar surya (solar sail), karena mereka menggunakan tekanan radiasi dari sumber cahaya untuk menghasilkan propulsi. Tekanan radiasi adalah perpindahan momentum dari radiasi yang mengenai permukaan seperti angin yang mengenai layar kanvas di Bumi. 

Foton tidak memiliki massa, tetapi mereka tetap mentransfer sebagian momentum mereka ketika mengenai objek, mendorongnya sedikit. Satu foton tidak memberikan banyak perubahan, tetapi triliunan foton yang mengenai permukaan akan memberikan dampak yang signifikan, terutama di ruang angkasa yang vakum.

Radiasi dalam bentuk sinar matahari sudah cukup untuk mendorong pesawat ruang angkasa antarplanet ribuan mil dari jalurnya, oleh karena itu, efek ini harus diperhitungkan ketika mengirim probe ke Mars atau planet lain.

Baca juga : NASA Lanjutkan Spacewalk ke ISS pada 2025

Namun, versi berenergi lebih tinggi dari fenomena ini dapat menggunakan sinar laser yang berasal dari darat atau luar angkasa untuk mendorong layar cahaya pada pesawat ruang angkasa dengan cara yang lebih terarah. Dengan sinar laser yang memberikan sumber tekanan konstan pada layar, efek kumulatif dari tekanan radiasi ini menghasilkan kecepatan yang jauh lebih cepat dan lebih andal daripada yang bisa dicapai dengan roket yang menggunakan propulsi kimia.

"Layar cahaya akan bergerak lebih cepat daripada pesawat ruang angkasa sebelumnya, dengan potensi untuk membuka jarak antarbintang untuk eksplorasi pesawat ruang angkasa langsung," kata Harry Atwater dari Caltech, Ketua Kepemimpinan Otis Booth di Divisi Teknik dan Ilmu Terapan, dalam sebuah pernyataan Caltech.

Mengukur Gaya Cahaya pada Layar Tim Atwater mengembangkan platform uji untuk mengukur bagaimana laser memberikan gaya pada "trampoline" mikroskopis dari silikon nitrida, yang hanya setebal 50 nanometer. Layar miniatur, yang berbentuk lembaran persegi 40 mikron di setiap sisinya, diikat pada sudut-sudutnya dengan pegas silikon nitrida dan bergetar ketika terkena sinar laser. Dengan mendeteksi gerakan kecil tersebut, para peneliti dapat menghitung gaya sinar laser dan daya yang dihasilkannya.

Baca juga : NASA Berhasil Kirim Sinyal Laser ke Pesawat Luar Angkasa dari Jarak 290 Juta Mil

"Ada banyak tantangan dalam mengembangkan membran yang pada akhirnya bisa digunakan sebagai layar cahaya. Membran ini perlu tahan terhadap panas, mempertahankan bentuknya di bawah tekanan, dan tetap stabil di sepanjang sumbu sinar laser," kata Atwater. 

"Namun, sebelum kita mulai membangun layar seperti itu, kita perlu memahami bagaimana bahan merespon tekanan radiasi dari laser. Kami ingin tahu apakah kita bisa menentukan gaya yang diberikan pada membran hanya dengan mengukur gerakannya. Ternyata kami bisa."

Penulis utama dari penelitian ini, ilmuwan pascadoktoral Lior Michaeli dan mahasiswa pascasarjana Ramon Gao, membangun pengaturan khusus yang disebut interferometer jalur umum. Alat ini memungkinkan pengukuran gerakan membran yang presisi dengan membatalkan kebisingan latar belakang seperti getaran kecil di laboratorium dari peralatan atau bahkan suara orang yang berbicara.

Baca juga : Tanda Kehidupan Alien? Membedakan Sfera Dyson dari Hot DOGs dalam Penelitian WISE

"Kami tidak hanya menghindari efek pemanasan yang tidak diinginkan, tetapi juga menggunakan apa yang kami pelajari tentang perilaku perangkat ini untuk menciptakan cara baru untuk mengukur gaya cahaya," kata Michaeli. 

Gao menambahkan platform ini dapat mengukur gerakan sisi-ke-sisi dan rotasi, membuka jalan bagi desain layar cahaya masa depan yang dapat mengoreksi diri jika mereka menyimpang dari sinar laser.

Akhirnya, tim berharap dapat mengintegrasikan bahan nanoteknologi dan metamaterial untuk menstabilkan layar cahaya selama perjalanan mereka. "Ini adalah batu loncatan penting untuk mengamati gaya optik dan torsi yang dirancang untuk membiarkan layar cahaya yang mempercepat dengan bebas mengikuti sinar laser," kata Gao.

Ada beberapa proyek layar cahaya yang sedang dikembangkan, dan NASA mengirimkan layar surya tahun lalu, meskipun mengalami beberapa masalah mekanis, yang menyoroti pentingnya penelitian tim Caltech untuk lebih menyempurnakan desain layar ini. (Space/Z-3)