Od setek lat ludzie poświęcają się badaniu tajemnic wszechświata. Aby jednak umożliwić nawigację międzygwiezdną, wymagania dotyczące zasilania statków kosmicznych będą bardziej rygorystyczne. Aby podróżować do gwiazd odległych o dziesiątki lat świetlnych, musimy zabrać ze sobą dużo paliwa, ale to spowodowałoby, że statek kosmiczny byłby zbyt ciężki.
Skoro jest wiele przeszkód w noszeniu ze sobą paliwa, czy można podróżować z lekkim bagażem i po prostu zrezygnować z paliwa? Dostępna jest teraz opcja przymocowania statku kosmicznego do gigantycznego odblaskowego żagla i oświetlenia go potężnym laserem. Pęd fotonów popchnie statek kosmiczny do ułamka prędkości światła. Unosząc się na belce, misja lekkiego żagla może dotrzeć do Proxima Centauri (Proxima Centauri to najbliższa Ziemi gwiazda po Słońcu, oddalona od nas o około 4,2 roku świetlnego) w ciągu kilku dekad.
Co to jest lekki żagiel? Żagiel lekki, znany również jako żagiel słoneczny lub żagiel fotonowy, to układ napędowy statku kosmicznego, który wykorzystuje jako napęd lekkie ciśnienie światła słonecznego. Lekkie żagle wykorzystują lekkie ciśnienie światła słonecznego, a nie energię generowaną przez energię słoneczną.
Żagiel świetlny to gigantyczna, cienkowarstwowa soczewka o grubości zaledwie jednej dziesiątej ludzkiego włosa. Można to rozumieć jako żagiel w Wieku Odkryć. Lekki żagiel wytwarza ciśnienie światła, odbierając światło słoneczne, popychając w ten sposób statek kosmiczny do ruchu i przyspieszania. Ponieważ ciśnienie promieniowania światła słonecznego jest bardzo małe, żagiel świetlny musi przejść długi proces przyspieszania, ale jego zaletą jest to, że można go używać wszędzie tam, gdzie jest światło słoneczne lub inne światło gwiazd, więc teoretycznie może odbywać długotrwałe podróże międzygwiezdne.
Jednak problemy zbudowania wystarczająco dużego i lekkiego lekkiego żagla oraz sposobu żeglowania nim do przodu nadal wymagają rozwiązania. Obecnie technologia lekkich żagli jest wciąż na etapie badań teoretycznych, a wyzwania inżynieryjne stojące przed nią są ogromne, ponieważ nawet najmniejsze problemy mogą być trudne do rozwiązania na przestrzeni kilkudziesięciu lat świetlnych.
Jeśli chodzi o stabilność lekkich żagli napędzanych laserem, w niedawnym artykule omówiono, jak zrównoważyć żagiel świetlny na wiązce lasera. Chociaż laser można skierować bezpośrednio na gwiazdę lub na lokalizację gwiazdy kilkadziesiąt lat później, żagiel świetlny może podążać za wiązką tylko wtedy, gdy jest ona idealnie wyważona. Jeśli żagiel świetlny jest lekko przechylony względem belki, odbite światło lasera spowoduje lekkie popchnięcie żagla w bok. Bez względu na to, jak małe jest to odchylenie, z czasem będzie ono rosło, powodując ciągłe odbieganie trajektorii lekkiego żagla od celu. Nigdy nie jesteśmy w stanie idealnie ustawić lekkiego żagla, dlatego potrzebujemy sposobu na skorygowanie małych odchyleń.
Tradycyjne rakiety zasadniczo wykorzystują wewnętrzne żyroskopy do stabilizacji rakiety i wykorzystują silnik do dynamicznej regulacji ciągu w celu przywrócenia równowagi. Jednak systemy żyroskopowe są zbyt nieporęczne dla międzygwiezdnych lekkich żagli, a dostosowanie wiązki światła do lekkiego żagla zajęłoby miesiące lub lata, co uniemożliwiłoby szybkie zmiany. W artykule zaproponowano jednak zastosowanie sztuczki radiacyjnej zwanej Poynting. -Efekt Robertsona.
Efekt Poyntinga-Robertsona odnosi się do zjawiska, w którym cząstki w przestrzeni międzyplanetarnej są ciągnięte w kierunku Słońca i poruszają się wokół niego w wyniku interakcji z promieniowaniem słonecznym. Jest to spowodowane absorpcją i emisją promieniowania przez cząstki, dlatego nazywane jest również efektem ciśnienia świetlnego, które powoduje, że cząsteczki pyłu powoli wpadają w stronę Słońca po spiralnej orbicie. Intensywność tego efektu jest proporcjonalna do prędkości liniowej pyłu wokół Słońca i do intensywności promieniowania słonecznego.
Jak więc wykorzystać efekt Poyntinga-Robertsona, aby utrzymać nasz detektor żagla świetlnego na kursie? Zakładając, że wiązka jest prostą monochromatyczną falą płaską (prawdziwe lasery są bardziej złożone), autorzy pokazują, jak prosty system dwóch żagli może wykorzystać efekty ruchu względnego, aby utrzymać równowagę jednostki. Kiedy żagiel zbacza nieco z kursu, siła przywracająca z belki znosi to. To pokazuje, że koncepcja jest możliwa do zrealizowania. Z czasem jednak w grę wchodzą także efekty relatywistyczne. Poprzednie badania uwzględniały efekt Dopplera ruchu względnego, ale to badanie pokazuje, że w grę wchodzi także relatywistyczna wersja aberracji chromatycznej. W rzeczywistych projektach należy uwzględnić pełen zakres efektów relatywistycznych, co wymaga złożonego modelowania i technik optycznych. Zatem lekkie żagle nadal wydają się możliwym sposobem dotarcia do gwiazd. Musimy tylko uważać, aby nie lekceważyć wyzwań inżynieryjnych.
