A vonósugár technológia már nem science fiction

A vonósugarak régóta a sci-fi történetek alapelemét képezik, de a fizika és a technológia legújabb fejlődése révén a lézer- vagy hanghullámok segítségével már valósággá váltak. Bár ezek a vonósugarak még nem állnak készen űrhajónyi testek vontatásához, de számos potenciális alkalmazási lehetőségük van például a gyógyszerkutatásban és a precíziós gyártás területén. Ahogy az ez irányú kutatások folytatódnak, jelentős hatással lehetnek a fizika és a technológia jövőjére.

Mi az a vonósugár? Ezek a vontatónyalábok lézer- vagy hanghullámokat használnak részecskék, molekulák vagy nagyobb tárgyak távoli manipulálására. A „vonósugár” kifejezést először E. E. Smith sci-fi író alkotta meg 1931-ben, és azóta a sci-fi népszerű elemévé vált. A televízióban és a filmekben (mint például a Star Wars vagy a Star Trek) gyakran mutatják be olyan energiasugárként, amely képes megragadni és távolról mozgatni tárgyakat az űrben.
A tudomány és a technológia legújabb fejlődése azonban a sci-fi-ből a valóságba emelte az ötletet. A tudósok 2013-ban olyan vonósugarat hoztak létre, amely mikroszkopikus szinten képes tárgyakat húzni. Azóta több kutatás is sikeresen létrehozott ilyen kisméretű vontatónyalábokat. Például 2014-ben a tudósok olyan reverzibilis vontatónyalábot hoztak létre, amely több tíz centiméteren keresztül képes volt aranybevonatú üreges üveggömböket mozgatni egy lézer energiaáramával szemben. Egy 2016-os tanulmányban pedig baktériumsejtek mozgatására használtak vontatónyalábokat.

2019-ben egy másik tanulmány vontatónyalábokat használt nanoszintű anyagok összeszerelésére egy „fotonikus nanoforrasztásnak” nevezett folyamat során.
Bár ezek a fejlesztések apróságnak tűnhetnek, potenciálisan forradalmasíthatnak számos iparágat, például az egészségügyet, ahol precíz és nem invazív műtéteket lehetne velük végezni.
A vonósugarak vagy lézert, vagy hanghullámokat használnak a tárgyak mozgatására. Ez azt jelenti, hogy két lehetséges mechanizmus létezik, amellyel a vonósugár képes egy tárgyat manipulálni.
A fotonok impulzusa átvihető a foton útjába kerülő bármely tárgyra, ami azt jelenti, hogy a tárgyat „eltolja” a lézersugártól. Ez tehát megmagyarázza, hogyan lehet elvileg egy tárgyat sugarak segítségével eltolni, de mi a helyzet a vonósugár vonzásával?

Az alapozó munkát Lee és munkatársai végezték egy 2010-ben megjelent tanulmányban. Ebben a tanulmányban azt javasolták, hogy optikai szolenoidsugarakat használjanak, amelyeknek a többi fénysugárral ellentétben az az egyedülálló tulajdonságuk, hogy a megvilágított tárgyakra a fény terjedési irányával ellentétes irányú erőt, azaz vonzóerőt fejtenek ki.
Ezt a kutatást Chen és munkatársai 2011-ben a Nature Photonics című szaklapban megjelent tanulmányukban tovább erősítették. Matematikailag meghatározták az optikai húzóerő létezésének feltételét, amely a tárgyaknak a sugár felé történő elmozdulását okozza. Chen és csapata kimutatta, hogy a fotonok szóródásból eredő ereje és a beeső hullámra vonatkozó bizonyos feltételek felelősek az optikai vonzásért. A lézerrel elért lebegtetést optikai lebegtetésnek nevezik.

A vonósugárral történő optikai lebegtetés további kísérleti megerősítését három évvel később a Brzobohaty által vezetett csoport végezte el. Bemutattak egy olyan geometriát, amellyel vontatónyalábot lehetett előállítani, és különböző méretű mikrorészecskék manipulálására használni.

2023 januárjáig váratott magára, hogy bemutassák az optikai lézervontatást makroszkopikus tárgyon. Lei Wang, a kínai QingDao Tudományos és Technológiai Egyetem munkatársa és csapata az optikai húzást a Knudsen-erőnek tulajdonította. Ez egy olyan erő, amely akkor keletkezik, amikor egy kis rés ellentétes oldalán nyomáskülönbség van. A nyomáskülönbség erőt gyakorolhat a rés közelében lévő tárgyra. A kutatók egy speciálisan tervezett grafén-SiO₂ kompozitot használtak. Amikor lézerrel besugározták, a kompozit hátsó oldalán lévő gázmolekulák több energiát kaptak, ami a tárgyat a lézer felé tolta. Ezt kombinálva a ritkás gázkörnyezet alacsony légnyomásával, a kutatók képesek voltak olyan méretű tárgyakat mozgatni, amelyek szabad szemmel is láthatóak voltak. Mindezek a vizsgálatok azonban fényt és nem hanghullámokat használtak.

Az akusztikus vagy hanghullámok használatát kis részecskék manipulálására már 1982-ben tanulmányozták. Azóta egyes hanghullámsugarakat vagy akusztikus tweezereket (csipeszek) használnak kis tárgyak, különösen biológiai tárgyak manipulálására. Ez a módszer általában biztonságos a biológiai alkalmazásokban, így kiválóan alkalmas az orvosbiológiai felhasználásra. A hanghullámok vontatónyalábként történő felhasználása nagyobb tárgyak manipulálására vagy más manipulációkra csak jóval később jelent meg.

2015-ben Asier Marzo, a spanyolországi Navarrai Állami Egyetem és a Bristoli Egyetem munkatársa és csapata kísérletileg bemutatta, hogy az ultrahangot használó vontatónyalábok segítségével részecskéket emelnek, forgatnak és manipulálnak. A hanghullámok, különösen az ultrahanghullámok nagy nyomást fejthetnek ki, és magas nyomású területeket, ún. akusztikus csapdákat hozhatnak létre. A részecskék és tárgyak csapdába eshetnek ezeken a területeken, ahol manipulálhatók. Ezt akusztikus lebegésnek nevezik.

A vonósugarak alkalmazásai
Mivel a vontatónyalábok még a kutatás korai szakaszában vannak, jelenleg nincsenek alkalmazási lehetőségeik. Mivel azonban a mögöttük álló tudomány viszonylag világos, számos lehetséges jövőbeli alkalmazásuk lehet.

• Precíziós gyártás: A vonósugarakat kivételes pontossággal lehetne használni a kis alkatrészek összeszerelésére és manipulálására, lehetővé téve az összetett termékek hatékony és pontos gyártását.
• Biomedikai alkalmazások: A vonósugarakat orvosi alkalmazásokban lehetne használni kis anyagok nem invazív mozgatására, ami pontosabb gyógyszeradagolást és célzott terápiákat tenne lehetővé.
• Anyagtudomány: A vonósugarak az anyagok tulajdonságainak nano- és mikroméretű manipulálására és tanulmányozására is felhasználhatók, ami új anyagok és alkalmazások kifejlesztéséhez vezethet.
• Űrkutatás: Ha nagyobb teljesítményű vonósugarakat fejlesztenének ki, akkor az olyan objektumokat, mint az aszteroidák vagy űrszemét, vonósugarakkal lehetne befogni és mozgatni, hogy elkerüljék a veszélyhelyzeteket, vagy hasznos nyersanyagokat fogjanak be lehetővé téve az űr biztonságosabb felfedezését.
• Robotika: A robotok a vontatónyalábok segítségével manipulálhatnák és irányíthatnák a nagyon kis tárgyakat, ami lehetővé tenné a robotok pontosabb és hatékonyabb mozgását és cselekvését.
• Környezetvédelmi tisztítás: A vonósugarak felhasználhatók a környezetből származó apró részecskék vagy szennyeződések, például az óceánban lévő mikroműanyagok vagy a levegőben lévő szennyező anyagok összegyűjtésére és eltávolítására.
• Biztonság és védelem: A vontatónyalábokat egy napon kis tárgyak manipulálására és irányítására lehetne használni biztonsági és védelmi alkalmazásokban, például robbanóanyagok hatástalanítására vagy drónok hatástalanítására.

Bár a vonósugarak jelentős ígéreteket hordoznak, számos kihívást és korlátozó tényezőt figyelembe kell venni. A lézereket használó vonósugarakkal összefüggésben a fényszórással kapcsolatban számos probléma merül fel. A fény minden irányban szóródik, ami azt jelenti, hogy a lézersugárnak nagyon irányítottnak kell lennie ahhoz, hogy fókuszált erőt tudjon kifejteni a tárgyra. Ezenkívül a tárgy jellemzőitől, például tömegétől vagy méretétől függően különböző típusú lézerre lehet szükség a különböző tárgyakhoz.

Az optikai húzóerő nagyságának jelentősen meg kell növekednie a makroszkopikus tárgyak esetében. Ez azt jelenti, hogy a sugár előállításához szükséges berendezés mérete és bonyolultsága (és költsége) is korlátozó tényezővé válhat.
A lézer vontatónyalábok használatának másik korlátja a túlmelegedés. Vannak tanulmányok, amelyek szerint az optikai csipeszek (tweezerek) által igényelt nagy fényintenzitás károsíthatja az élő biológiai mintákat.

A környezet, amelyben a vonósugarat használják, szintén kihívást jelenthet. Ha egy tárgy folyadékban vagy gázban van, a lézer szóródhat vagy elnyelődhet a közegben, ami csökkenti a hatékonyságát. Továbbá, ha a tárgy mozog, a sugárnyalábot valós időben kell beállítani, hogy lépést tartson a tárgy mozgásával.
E kihívások és akadályok ellenére a vonósugarak jelentős ígéretet hordoznak magukban a különböző alkalmazások számára. A kutatás és fejlesztés folytatásával lehetséges, hogy e korlátok közül sok leküzdhető lesz, megnyitva az utat e technológia új és izgalmas alkalmazásai előtt.

A vonósugarak fejlesztése hosszú utat tett meg azóta, hogy először a sci-fi koncepciójaként mutatták be azokat. A tudósok és a kutatók jelentős előrelépéseket tettek e technológia valósággá válása terén, és a lehetséges alkalmazások széleskörűek.

A vonósugarak jövője hihetetlenül ígéretesnek tűnik. Az orvosi alkalmazásoktól kezdve a gyártáson át egészen az űrkutatásig, ez a technológia magában hordozza annak lehetőségét, hogy forradalmasítsa a körülöttünk lévő világgal való interakcióinkat. Képzeljünk el egy olyan jövőt, ahol fizikai érintés nélkül mozgathatunk tárgyakat, lehetővé téve, hogy veszélyes vagy érzékeny anyagokkal dolgozzunk a sérülés veszélye nélkül. A technológiát övező kihívásokkal és korlátozásokkal foglalkozni kell, és le kell küzdeni azokat, beleértve az olyan kérdéseket, mint a fényszóródás és a lézer túlmelegedése, a sugár pontos vezérlése és a környezeti kihívások. A folyamatos kutatás és fejlesztés elengedhetetlen e kihívások leküzdéséhez, és a technológia új és izgalmas alkalmazásainak előkészítéséhez.

(Forrás: Interesting Engineering – Tractor beams: How scientists are turning science fiction into reality Tejasri Gururaj May 12, 2023)