Идеи Star Trek воплощаются в реальность
Команда британских физиков из университета Бристоля и Суссекса совместно с компанией Ultrahaptics создали первый полноценный звуковой притягивающий луч - устройство, которое использовали герои известного сериала "Звездный путь" (Star Trek). Оно способно захватывать, поднимать и перемещать в воздухе разнообразные предметы: пока это что-то небольшое, вроде капель воды, но в перспективе технология позволит манипулировать и довольно массивными объектами, в том числе космическими спутниками. Статья с подробным описанием технологии опубликована в новом номере журнала Nature Communications.
Притягивающие лучи, фигурирующие во множестве фантастических фильмов и романов, станут незаменимы в реальной жизни. В частности, их можно использовать на производстве: звуковая производственная лента сможет транспортировать и собирать крошечные тонкие объекты без физического контакта. Притягивающие лучи станут компонентом микроскопов, позволяющих ловить отдельные частицы материи или живые клетки и перемещать их в нужном направлении. Миниатюрные варианты таких устройств стали бы идеальным способом целевой доставки в организм человека лекарственных препаратов, а также проведения высокоточных операций.
Но глобальная цель таких технологий - создание космических притягивающих лучей, с помощью которых космонавты будут захватывать неисправные спутники, их фрагменты, осколки, образующиеся в процессе соударения, а также части астероидов. Это бы решило глобальную проблему уничтожения космического мусора, объемы которого стремительно растут. Все больше засоряются околоземная орбита, где размещается Международная космическая станция, и геостационарная орбита, предназначенная для спутников различного назначения. Недавно ученые подсчитали, что сейчас на орбитах находится 21 тысячи крупных фрагментов космического мусора диаметром больше 10 см, и 500 тысяч диаметром до 10 см. По данным Европейского космического агентства, на работающие космические аппараты приходится только 7% отходов, связанных с освоением космоса, то есть, 93% - это мусор.
Поскольку большинство обломков движется с экстремальной скоростью более 28 тыс. км/ч, даже небольшие объекты представляют серьезную угрозу. Так, если в космический аппарат врежется осколок размером в один сантиметр, результат будет такой же, как если бы в него ударился автомобиль на скорости 50 км/час. А десятисантиметровый объект разнесет спутник в клочья. Немало проблем доставляет космический мусор и астронавтам МКС. Чтобы увернуться от стремительно движущихся по направлению к станции объектов, ее орбиту постоянно приходится корректировать, что требует времени и денег. Кроме того, вышедшие из строя спутники периодически падают на землю.
Проблему космического мусора, а также много других, земных задач, можно было бы решить с помощью притягивающего луча. Уже много лет ученые пытаются создать подобные приборы, однако до сих пор дальше теоретических разработок и крайне ограниченных в функциональности прототипов продвинуться не сумели. В 2013 году чешские ученые под руководством Павла Земанека из Института научных инструментов при Академии наук Чехии в Брно сделали первый серьезный шаг к созданию подобного устройства, научившись поднимать в воздух микрочастицы материи и манипулировать ими при помощи нескольких лазерных лучей. Если более ранние прототипы позволяли перемещать лишь отдельные атомы или наночастицы размером в единицы нанометров, то чешским специалистам удалось захватить довольно крупные частицы в 300-400 нанометров. Во время экспериментов с помощью прибора удалось "поймать" и сдвинуть плавающий в воде шарик из полистирола. Хотя на тот момент это был рекорд среди такого типа технологий, мощность устройства все равно была очень низкой.
Ученые из университета Суссекса представили гораздо более продвинутую модель, способную поднимать и перемещать в воздухе капли жидкости размером с крупную горошину. По словам возглавившего разработку профессора Шрирама Субраманияна, при помощи нового устройства можно легко манипулировать объектами в воздухе, что визуально выглядит как нарушение закона всемирного тяготения. Такого эффекта удалось достичь благодаря использованию множества автономно управляемых микродинамиков. В результате создается своеобразная акустическая голограмма, комбинация из высокочастотных и низкочастотных звуковых волн, которая формирует вокруг удерживаемого предмета своеобразную ловушку. Меняя ее форму, можно, не касаясь объекта, двигать его в воздухе в режиме реального времени в произвольном направлении.
На сегодняшний день существует несколько технологий создания притягивающего луча. Часть из них основывается на оптической манипуляции материей, таких как "световые щипцы" или оптические ловушки. Другие используют закрученный особым способом лазерный луч или комбинацию из нескольких потоков света. В новой экспериментальной установке из 64 микродинамиков, созданной учеными из Суссекса, воплощено сразу три подхода. Это "щипцы", удерживающие захваченную материю на месте и вращающие ее, передвигающие предметы "воронки" и "бутылки", удерживающие объекты в одном положении.
Шрирам Субраманиян утверждает, что у подобной системы акустической левитации нет принципиальных ограничений. Несмотря на то, что пока устройство удерживает и перемещает лишь крупные капли жидкости и небольшие предметы, по такому же принципу можно создать более мощные звуковые генераторы для захвата и утилизации космического мусора. А если притягивающий луч наоборот, миниатюризировать, он станет незаменим для доставки лекарств в организм и проведения требующих высокой точности деликатных операций - к примеру, извлечения камней из почек или вставки электродов в мозг.
