Das GrapheneSail-Projektteam hat die Leistungsfähigkeit des entwickelten Graphen-Solarsegels bestätigt, das sich unter Einwirkung von Laserstrahlung im Hochvakuum und unter Schwerelosigkeit deutlich beschleunigen konnte. Somit kann Graphen als vielversprechendes Material für die Herstellung von Sonnensegeln für Raumfahrzeuge angesehen werden. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Acta Astronautica veröffentlicht, kurz über die Arbeit wird auf der ESA-Website beschrieben.
Das Prinzip der Beschleunigung von Raumfahrzeugen mit einem Lichtsegel basiert auf dem Druck, den Photonen auf jede Oberfläche ausüben und ihren Impuls darauf übertragen. Die Lichtquelle kann eine bodengestützte oder orbitale Laserinstallation sein oder, wenn wir über das interplanetare Medium sprechen, die Sonne. Die Vorteile dieser Methode zum Übertakten von Geräten sind eine unbegrenzte Betriebszeit und kein Verbrauch der Arbeitsflüssigkeit. Es wird angenommen, dass der Einsatz von Segeln es ermöglichen kann, in relativ kurzer Zeit die nächsten Planetensysteme zu erreichen, dies ist jedoch mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden. Bisher wurde das Solarsegel erfolgreich auf IKAROS und LightSail 2 getestet.
Das Segel selbst muss relativ groß, leicht, stark reflektierend und dennoch stark genug sein, um der Entfaltung und den Auswirkungen der kosmischen Strahlung standzuhalten. Ihr Design verwendet hauptsächlich einen dünnen Film aus Kapton oder Mylar, der einige Mikrometer dick ist und mit einer Nanometer dicken Aluminiumbeschichtung beschichtet ist, um das Reflexionsvermögen zu erhöhen. Es werden jedoch auch andere technische Lösungen vorgeschlagen, wie beispielsweise Folien aus Aluminium, Magnesium oder Beryllium oder Kohlefaser.
Das von der europäischen Firma SCALE Nanotech mit Unterstützung der Europäischen Weltraumorganisation entwickelte Projekt GrapheneSail bietet eine Solarsegel-Variante bestehend aus einem zweilagigen Graphen, der ein Kupfergitter bedeckt, beschleunigt durch einen Laserstrahl. Diese Struktur ermöglicht es, die durchschnittliche Dichte des Segels zu reduzieren und es ziemlich steif zu machen.
Das Projektteam unter der Leitung von Santiago Cartamil-Bueno hat die Ergebnisse der Tests des Segelmodells unter Hochvakuum und Mikrogravitation veröffentlicht. Die Segelmodelle wogen 0,25 Milligramm und bestanden aus runden Kupfernetzen mit einem Durchmesser von 3,05 Millimetern und einer Dicke von etwa 30 Mikrometern, auf die zwei Schichten CVD-Graphen aufgebracht wurden. Die Proben wurden in eine Vakuumkammer geladen, der eine optische Faser von zwei Lasern mit einem kontinuierlichen Strahlungsmodus mit einer Leistung von einem Watt zugeführt wurde, die bei Wellenlängen von 450 und 655 Nanometern arbeiteten. Die Kamera beherbergte auch ein Tracking-System basierend auf einem optischen Mikroskop. Die gesamte Installation wurde zusammen mit der Batterie und dem Steuerungssystem in einer Kapsel untergebracht, die im 100 Meter hohen ZARM Fallturm in Bremen abgeworfen wurde, so dass für 4, 7 Sekunden in der Kapsel der Mikrogravitationsmodus hergestellt wurde aufgrund des freien Falls.
Experimente haben die Leistung des Segels bestätigt. Der erzeugte Schub und die Beschleunigung für eine Probe ohne Graphen im Laserleistungsbereich von 0,1 bis 1 Watt betrugen 31 Millimeter pro Sekunde im Quadrat bzw. 8 Nanonewton, während diese Werte für Proben mit Graphen bei 47–992 Millimeter pro Sekunde im Quadrat lagen und 12–248 Nanonewton, je nach Leistung und Betriebswellenlänge. Die erhaltenen Schubwerte liegen eine Größenordnung über den Ergebnissen theoretischer Berechnungen, was weitere Arbeiten erfordert und großes Interesse an Graphen als Material für ein Sonnensegel weckt.
Zuvor haben wir darüber gesprochen, wie der interstellare Asteroid vorgeschlagen wurde, um Lasersegel einzuholen und wie unser Planet vom Bord des Raumsegelschiffs Lightsail-2 aus aussah.
