Czy żagiel słoneczny pozwoli dotrzeć do innych gwiazd? Naukowcy odkryli nieoczekiwane ograniczenie

Podróże do innych gwiazd pozostają jednym z największych wyzwań współczesnej nauki. Naukowcy analizujący możliwości, jakie daje żagiel słoneczny, odkryli zjawisko, które może znacząco wpłynąć na skuteczność tej technologii.

Jak żagiel słoneczny umożliwi podróże międzygwiezdne?

Jeśli ludzkość chciałaby dotrzeć do innych gwiazd, obecnie istniejące napędy nie pozwoliłyby tego osiągnąć w rozsądnym czasie. Niezbędna jest inna technologia, a zdaniem naukowców jedną z najbardziej obiecujących wydaje się żagiel słoneczny. Te ogromne powierzchnie odbijające światło stanowią podstawę wielu koncepcji misji międzygwiezdnych. W połączeniu z gigantycznymi laserami, które by je rozpędzały, mogłyby zostać rozpędzone do prędkości nieosiągalnych dla żadnej innej obecnie dostępnej technologii.

Jednak w ramach nowego badania naukowcy Chao Shen i Jiaze Li z Harbin Institute of Technology odkryli, że gdy takie misje zaczną osiągać znaczący ułamek prędkości światła, napotkają siłę oporu wywoływaną przez samo światło. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

Dlaczego technologia traci skuteczność przy dużych prędkościach?

Fizycy opisali trzy siły, jakie fotony uderzające w żagiel słoneczny przekazują mu. W kolejności malejącej skuteczności są to: światło padające (incident light – czysty pęd fotonów trafiających w żagiel), odbicie zwierciadlane (specular reflection – pęd przekazywany, gdy fotony odbijają się idealnie od powierzchni żagla) oraz rozpraszanie dyfuzyjne (diffuse scattering – pęd pochodzący od fotonów pochłanianych przez żagiel, a następnie emitowanych ponownie w losowych kierunkach).

Zdaniem badaczy problemy zaczynają się jednak wtedy, gdy żagiel słoneczny osiąga prędkości relatywistyczne. Oddalając się od źródła światła, zaczyna doświadczać silnego efektu Dopplera. Wraz ze spadkiem częstotliwości światła gwałtownie maleje ciąg generowany przez wszystkie trzy składniki jego oddziaływania, co sprawia, że dalsze przyspieszanie staje się coraz trudniejsze wraz ze wzrostem prędkości.

Sytuacja pogorszyłaby się jeszcze bardziej, gdyby żagiel osiągnął 75 proc. prędkości światła. W tym momencie dominować zaczyna zjawisko zwane relatywistyczną aberracją światła. Z perspektywy nieruchomego obserwatora na Ziemi rozproszone dyfuzyjnie światło jest kierowane do przodu, w stronę ruchu żagla.

Co dzieje się po przekroczeniu 75 proc. prędkości światła?

Ponieważ każdej akcji musi odpowiadać równa i przeciwna reakcja, oznacza to, że rozpraszanie dyfuzyjne – choć jest najsłabszą z trzech sił – staje się czynnikiem hamującym układ po przekroczeniu 75 proc. prędkości światła.

Zdaniem astronomów całkowita siła generowana przez pchający żagiel laser pozostaje do tego momentu dodatnia, jednak spadek efektywności jest znaczący.

Jakie inne problemy mogą ograniczyć żagiel słoneczny?

Naukowcy podkreślają jednak, że badanie koncentrowało się wyłącznie na dynamice radiacyjnej i nie uwzględniało innych czynników, takich jak opór międzygwiazdowego gazu i pyłu ani ograniczenia termiczne materiałów żagla, na przykład możliwość stopienia się pod wpływem laserów o bardzo dużej mocy.

Fizycy traktowali materiał żagla jako idealne lustro. W praktyce inżynierowie lotnictwa i kosmonautyki badają zaawansowane metamateriały oraz kryształy fotoniczne dostrojone do określonych długości fal laserowych. Materiały te mogłyby potencjalnie wykorzystać efekty aberracji opisane w badaniu do aktywnej samokorekty i stabilizacji toru lotu żagla, zapewniając jego pozostawanie w centrum wiązki.

Budowa i testowanie międzygwiezdnego żagla słonecznego są, póki co, domeną przyszłości. Podczas podróży na tak ogromne odległości pojawiają się kolejne komplikacje, takie jak krzywizna czasoprzestrzeni, którą naukowcy również pominęli w swoich analizach.

Jednak, jak podkreślają astrofizycy, tego rodzaju badania są krokiem ku lepszemu zrozumieniu dynamiki lotu takiego systemu. W przyszłości być może pomoże to w dotarciu do odległych gwiazd w rozsądnym czasie i ułatwi człowiekowi eksplorację kosmosu.

Emil Gołoś