NASA utvikler «tractor beams» – tauestråler av lys

Millennium Falcon fanget i Dødsstjernens tauestråle. En gang for lenge siden, i en galakse langt borte o.s.v. Men ikke her og i dag - eller?

Obi Wan: «That’s no moon! It’s a space station…»
(…)
Luke Skywalker: «Why are we still moving towards it?»
Han Solo: «We’re caught in the tractor beam, it’s pulling us in.»

Tenk så kult å kunne si sånne ting… Dessverre er det bare på film at ting kan flyttes rundt med usynlige stråler.

Med mindre NASA får det som de vil da, og «we» er en bunke små partikler som det amerikanske rom-imperiet vil studere. Kan de få det til?

NASA har nylig annonsert vinnerne i en konkurranse om midler til å forske på nettopp slike «tractor beams» – eller tauestråler på godt norsk. Målet å gjøre akkurat det som skjer i Star Wars og andre store Science Fiction epos: Å bruke en «stråle» – hva nå det måtte innebære – til å fange ting og trekke dem mot deg. Å taue noe uten tau, altså. Og selv om du neppe vil få noen strålekanon i bilen for å dra deg selv opp av grøfta med det første, så viser prinsippet seg å være solid.

Lys kan både dytte og dra

Lys, sånn som fysikere liker å tenke på det.

«Strålene» man er interessert i er av vanligste sort, nemlig lys. Mer bestemt laser-lys, som bare er vanlig lys som oppfører seg meget dannet. En enkel måte å se for seg lys på er som bølger som flyter bortover vannet. På sjøen er det vanligvis mange små bølger som går litt i alle retninger og med topper og bunner både hist og her. En «laserbølge» er det du får hvis du i steden starter en bølgemaskin og får alt vannet til å gå opp og ned samtidig. Når lys gjør dette får du en fin, klar og fokusert stråle – en laserstråle – og akkurat som bølgene fra en bølgemaskin kan det være en god del kraft i denne typen lys. Hver «bit» lys (blant venner kalt fotoner) er veldig svak, men sammen kan de være dynamitt.

Solseil utviklet for prosjektet Cosmos 1 - som ble skutt opp i 2005 men dessverre ikke fikk testet seilet.

En type Sicence Fiction-aktig teknologi som kan komme ut av dette er såkalte sol-motorer, der romskip bretter ut et stort, lett seil og bruker lys (og andre partikler) fra solen til å bli drevet fremover. Dette er en helt annen historie, men viser igjen at mye god Science Fiction har rot i virkeligheten.

NASAs prosjekter

Nå har NASA altså bestemt seg for å prøve å få lys til å dra, ikke bare dytte. Målet er ikke å bygge en dødsstjerne (sier de ihvertfall), men snarere å kunne samle inn støv og andre interessante små partikler i verdensrommet uten å skade prøvene. Som Paul Stysley, en av forskerene som nå har fått NASA-midler, sier:

«The original thought was that we could use tractor beams for cleaning up orbital debris, but to pull something that huge would be almost impossible — at least now. That’s when it bubbled up that perhaps we could use the same approach for sample collection.»

…men hvordan skal de faktisk gjøre det?

Trikset – eller snarere triksene, siden NASA har gitt tre ulike prosjekter midler – handler igjen om laserlys.

Et prosjekt bruker to stråler på en gang, og utnytter at lysstråler kan varme opp en gass når de flyr forbi. Ved å stille inn de to strålene kan de kontrollere hvor det blir varmt, og som kjent liker varme gasser å bevege seg i forhold til kalde. Dermed kan de styre gassen, og følgelig også partikler som flyr rundt i den. Problemet med denne løsningen er at den jo trenger en gass – det vil si en atmosfære – og NASA vil gjerne bruke strålene i rommet.

Bessel-stråle, sendt mot en vegg. Komplett med smakfulle ligninger. Bilde fra Nature 419, 125-127(12 September 2002)

Det to andre løsningene handler om lurt lagede laserstråler – en type kalt «solenoid beams» eller spole-stråler på norsk, og en type kalt Bessel-stråler. Begge utnytter at man kan lage smarte bølgemønstre, igjen akkurat som bølger på vann, og bruke dette til å trekke partikler sakte men sikkert tilbake mot strålekilden.

Bessel-strålene har ikke vært testet i et eksperiment enda, men ser veldig lovende ut på tegnebretet. I en BBC-sak tidligere i år  som omtaler en artikkel fra kinesiske forskere sies det at:

However, he remarked that the effect is only predicted to occur over a short distance – and that the effect first of all needs to be demonstrated in practice.

«It’s a very good start,» he said. «As always with theory, if one doesn’t obtain a theoretical argument that things are impossible for some reason, then it can happen.»

Dette siste begynner å bli fysikkens mantra:

Hvis det ikke er beviselig umulig, så burde det være mulig. Det gjenstår bare å finne ut hvordan.

NASA har nå altså bestemt seg for at tiden er inne for å «finne ut hvordan» når det gjelder tauestråler, eller «tractor beams». Vi får dem neppe i butikkene de aller første årene, men prosjektene som har fått finansiering har som mål å utvikle brukbare prototyper for kommende rom-prosjekter. Vi venter alle i spenning – og korter ventetiden med en vits til slutt:

"Tractor beam" ja... Tegning av Nick D. Kim.

6 comments

  1. Stein Vidar Hagfors Haugan · november 2, 2011

    Hmm. Noen kjappe kommentarer: Vedder en femmer på at Department of Defense (DoD) hopper på med en ganske stor pott med penger, om ikke alt for lenge. Department of Energy er ihvertfall interessert i NASAs prosjekter ang. mørk energi. Dette prosjektet er ikke bare mer plausibelt (å utnytte mørk energi i praksis er nokså usannsynlig, selv med stor velvilje), men også mer anvendelig i militære sammenhenger (har en anelse om at utnyttelse av mørk energi i militære operasjoner kan ha *litt* fatale følger – revner f.eks. vakuumet slik det eksisterer i dag?).

    Videre – har man ikke et nokså stort problem med momentbevaring her? Gass-oppvarming funker, men sender man ut lys, får man vel alltid en rekyl? (Kjenner ikke til detaljene i de foreslåtte metodene, så korriger meg om jeg tar feil her).

    Og til sist: I Star Wars-sammenheng ville jeg heller ha satset på tradisjonell fremdrift. Mye lettere å skyve seg selv mot en ting, enn å «dra» tingen mot seg! 😎

    • Bjørn H. Samset · november 2, 2011

      Hei Stein Vidar,

      ad momentbevaring: Jo, absolutt – men det er jo hele tiden snakk om at stooore ting (som en satelitt) skal trekke til seg små (som støvkorn), så da går det i snitt opp. Den store tingen beveger seg ikke mye bakover av rekylen, mens den lille får et ganske så stort dytt relativt sett.

      (Alternativt altså: Den stooore dødsstjernen trekker til seg det lille støvkornet av et romskip Millenium Falcon… Men jeg er nok egentlig enig med deg angående stor-skala anvendelser – det finnes bedre metoder. Tau, for eksempel, en teknologi som til og med fungerer i verdensrommet. Men om DoD er våkne nok til å innse det er mer tvilsomt, ja.)

      –Bjørn

      • Stein Vidar Hagfors Haugan · november 2, 2011

        Det litt useriøse først: Bare husk å ikke bruke sugekopp i i rommet (klassisk Donald-stil). Funker dårlig uten lufttrykk 🙂

        Så ang. momentbevaring: Jo, stor forskjell i størrelse, men er ikke fortegnet *alltid* feil? Dvs om jeg skyter fotoner mot et objekt, så vil jeg alltid dyttes *bort* fra det. Og objektet, om det absorberer fotonet, må også bli dyttet *bort* fra meg?

        Er det kanskje mulig å snu Poynting-vektoren (som bestemmer momentet, IIRC) på en lysstråle? Slik at fotonet «beveger seg baklengs». Blir en smule svimmel av å skulle forestille meg det 🙂

  2. Bjørn H. Samset · november 2, 2011

    Hei Stein Vidar,

    (får visst ikke lov å svare på et svar på et svar, så ergo: ny kommentar)

    Tror dette med Poynting-vektoren er poenget ja. Momentum-argumentet er nødvendig for at ting i det hele tatt skal flytte på seg ved hjelp av noe så svakt som en laser. Jeg har ikke lest detaljene, men de sier f.eks. i abstractet til http://arxiv.org/abs/1102.4905 at:

    In the absence of intensity gradient, using a light beam to pull a particle backwards is counter intuitive. Here, we show that it is possible to realize a backward scattering force which pulls a particle all the way towards the source without an equilibrium point. The underlining physics is the
    maximization of forward scattering via interference of the radiation multipoles. We show
    explicitly that the necessary condition to realize a negative (pulling) optical force is the
    simultaneous excitation of multipoles in the particle and if the projection of the total
    photon momentum along the propagation direction is small (as in some propagation
    invariant beams), attractive optical force is possible. This possibility adds “pulling” as
    an additional degree of freedom to optical micromanipulation.

    Artikkelen er langt til «bør lese»-listen min, så får vi se om jeg klarer å forstå det etter hvert 🙂

  3. Stein Vidar Hagfors Haugan · november 2, 2011

    (Og siden du la inn en ny kommentar, gir jo det meg anledning til å svare 🙂

    Hmmm. Forward scattering, ja! Om man får øket fotonets moment idet det «spretter» [heter det det på norsk?] forover, vil det hele gå opp. Men… er det ikke en feil i abstractet – de snakker først om *backward* scattering. Som har dobbelt så store problemer med moment-regnskapet, og man kan i tillegg få en pingpongeffekt mellom de to objektene 🙂

    Nei vent litt… bare litt vanskelig å lese. De burde kanskje endre det til «backward force from forward scattering», så hadde jeg skjønt det ved første gjennomlesning, ikke først ved *tredje*.

  4. Tilbaketråkk: Nobelprisen i fysikk 2012 | Kollokvium

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s