Jaki? Ano taki, że w pewnym momencie światło wykorzystywane do napędzania żagla zaczyna działać przeciwko żaglowi. Badania Chao Shena i Jiaze Li z Harbin Institute of Technology sugerują, iż szczególnie interesująca granica pojawia się w okolicach 75 procent prędkości światła. Właśnie wtedy efekty wynikające ze szczególnej teorii względności zaczynają znacząco zmieniać sposób, w jaki należy opisywać zachowanie fotonów oddziałujących z rozpędzonym żaglem.
Pomysł stojący za tą technologią jest relatywnie prosty. Statek nie musi zabierać ze sobą dużej ilości paliwa, ponieważ źródłem energii pozostaje zewnętrzna infrastruktura laserowa. Fotony padające na odbijającą powierzchnię przekazują jej pęd, powodując powstanie siły skierowanej w stronę przeciwną do źródła światła. Przy odpowiednio potężnym laserze i bardzo lekkim żaglu teoretycznie można w ten sposób osiągnąć prędkości nieosiągalne dla tradycyjnych napędów rakietowych.
Czytaj też: Supertajfun z pokładu ISS. Niesamowite kadry i nowa era kosmicznej fotografii
Problem pojawia się jednak wtedy, gdy żagiel zaczyna uciekać od lasera z prędkością relatywistyczną. Światło docierające do poruszającego się obiektu ulega przesunięciu Dopplera. Dla żagla oddalającego się od źródła częstotliwość padającego promieniowania spada, a wraz z nią maleje skuteczność napędu. Im szybciej porusza się statek, tym trudniej jest zwiększać jego prędkość.
Naukowcy rozdzielili oddziaływanie światła na żagiel na trzy podstawowe składniki. Największe znaczenie ma bezpośredni pęd fotonów padających na powierzchnię, następnie pęd przekazywany podczas idealnego odbicia, a najmniejszy udział ma światło rozpraszane w różnych kierunkach po ponownym wypromieniowaniu przez materiał. Przy stosunkowo niewielkich prędkościach wszystkie te efekty działają na korzyść statku. Sytuacja zmienia się jednak, gdy żagiel zaczyna poruszać się z prędkością relatywistyczną. W pobliżu 75 procent prędkości światła zaczyna odgrywać istotną rolę aberracja światła wynikająca ze szczególnej teorii względności.
Z perspektywy nieruchomego obserwatora na Ziemi rozproszone fotony zaczynają kierować się do przodu, czyli w stronę, w którą porusza się żagiel. Ich emisja powoduje więc powstanie siły skierowanej przeciwnie do ruchu. Oznacza to, iż rozpraszanie światła, które wcześniej przyczyniało się do napędzania konstrukcji, po przekroczeniu około 75 procent prędkości światła zaczyna działać jak opór.
Nie oznacza to jednak, że żagiel ulega całkowitemu zastopowaniu. Całkowita siła wywierana przez laser nadal pozostaje dodatnia, a statek wciąż może przyspieszać. Problem polega na tym, że efektywność napędu wyraźnie spada. Każde kolejne zwiększenie prędkości wymaga więc jeszcze większych nakładów energii i bardziej zaawansowanej kontroli całego systemu.
Czytaj też: Teleskop Webba doprowadził do wyjaśnienia kosmicznej eksplozji. Gdzie znajdowało się jej źródło?
W rzeczywistej misji międzygwiezdnej pojawiłyby się dodatkowo problemy, których omawiane badanie nie uwzględnia. Żagiel musiałby zmagać się między innymi z gazem i pyłem międzygwiazdowym. Ogromnym wyzwaniem byłoby również odprowadzanie ciepła. Potężny laser potrzebny do rozpędzenia żagla mógłby doprowadzić do przegrzania, a nawet zniszczenia jego powierzchni.
Naukowcy i inżynierowie pracują już nad materiałami, które mogłyby w przyszłości poradzić sobie z częścią tych problemów. Szczególne zainteresowanie budzą metamateriały i kryształy fotoniczne zaprojektowane tak, aby odpowiednio reagować na światło o określonej długości fali. Mogłyby one nie tylko zwiększać skuteczność napędu, lecz również pomagać w stabilizowaniu żagla wewnątrz wiązki lasera. Żagiel świetlny nadal pozostaje więc jedną z najbardziej interesujących koncepcji napędu międzygwiezdnego. Ale najpierw trzeba uporać się z pewnymi ograniczeniami.
Źródło: arXiv
