新型光帆问世，有望让无人探测器加速至光速的 20%

3 月 7 日消息，科技媒体 thedebrief 昨日（3 月 6 日）发布博文，报道称塔斯基吉大学科研团队成功研发新型“光子晶体光帆”，理论上能将无人探测器加速至光速的 20%。

注：光子晶体光帆（Photonic light-crystal sail）是一种新型太空推进装置。不同于靠风力驱动的传统帆船，它利用微观纳米结构高比例反射激光光子，从而利用光子携带的动量来获得前进的推力。

这种光帆摒弃了传统化学燃料，依靠强大的定向激光提供推进力。以抵达距离地球最近的恒星比邻星（Proxima Centauri，约 4.25 光年）为例，传统化学火箭需要数十万年，而采用该技术的无人探测器仅需约 20 年。

此前光帆的实际应用一直受制于工程瓶颈，传统设计多采用镀金属的聚合物薄膜，这种材料在反射能量后，会不可避免地吸收部分激光并将其转化为致命的热量。

为了捕获并散去这些废热，工程师只能增加材料与厚度，这却违背了航天器必须极致轻量化的原则，让光帆设计陷入了类似“火箭方程式”的增重死循环。

研究团队为彻底解决这一难题，创新性地采用了三层介电结构：底层为高折射率的锗柱，中层为低折射率的空气孔，顶层为聚合物基底。

这三种材料在次 200 纳米尺度下精密排列，形成了一个狭窄的“光子带隙”。该结构极其巧妙，不仅能对特定波长的推进激光产生极高的反射率，同时对外部频段的太阳辐射保持近乎透明，从而大幅降低了吸热与过载风险。

团队随后通过精密制造与模拟实验，验证了该结构的卓越性能。在测试中，这种光帆在 1.2 微米激光波长下的反射率达到了约 90%。此外，在 100 千瓦持续激光的照射下，一块面积仅一平方米的光帆能在理想状态下的一小时内，加速至每秒数百米。

研究作者迪米塔尔 · 迪米特罗夫（Dimitar Dimitrov）强调，这项工作成功打通了从理论设计到实际制造的路径。尽管目前距离真正的星际航行仍有技术距离，但这种兼具低质量与高反射率的新型光子晶体光帆，将率先为太阳系内的行星际探索提供切实可行的激光推进方案。

附上参考地址

Design and manufacture of a photonic crystal light sail

Traveling at 20% The Speed of Light: Scientists Demonstrate ‘Practical’ Light Sails to Explore the Universe