Żagiel rozpędza się światłem. Pojawia się jednak dziwny problem

Pomysł brzmi niemal zbyt dobrze: zbudować ekstremalnie lekki statek, rozwinąć wielki odblaskowy żagiel i przez potężny laser nieustannie bombardować go fotonami. Bez paliwa na pokładzie i bez rakietowego silnika sonda mogłaby rozpędzić się do prędkości pozwalających dotrzeć do innej gwiazdy w ciągu dziesięcioleci. Nowa analiza pokazuje jednak, że przy około 225 tys. km/s zaczynają obowiązywać reguły, które z codzienną intuicją mają niewiele wspólnego. Część światła, która wcześniej pomagała w przyspieszaniu, zaczyna wtedy działać dokładnie odwrotnie.

Foton nie ma masy spoczynkowej, ale przenosi pęd. Kiedy uderza w powierzchnię żagla, przekazuje część tego pędu konstrukcji. Jeśli dodatkowo odbije się od niej jak od lustra, efekt jest jeszcze większy, bo zmienia kierunek ruchu i przekazuje żaglowi dodatkowy impuls.

Siła pojedynczego fotonu jest mikroskopijna, lecz w przestrzeni kosmicznej statek nie musi przez cały czas walczyć z oporem powietrza. Stały, niewielki nacisk może więc przez bardzo długi czas zmieniać jego prędkość.

Nie jest to technologia istniejąca wyłącznie w wyobrażeniach szalonych naukowców. LightSail 2 udowodnił już wcześniej na orbicie, że światło słoneczne rzeczywiście może sterować ruchem niewielkiego statku. W 2019 r. sonda rozwinęła żagiel o powierzchni 32 m kw. i wykorzystywała ciśnienie promieniowania słonecznego do zmiany swojej orbity. Międzygwiezdna wersja tego pomysłu musiałaby działać na znacznie większą skalę. Zamiast samego Słońca wykorzystałaby skoncentrowaną wiązkę potężnych laserów.

Najbardziej znanym projektem tego typu pozostaje Breakthrough Starshot. Koncepcja ta zakłada budowę niezwykle lekkich sond z żaglami i rozpędzanie ich za pomocą naziemnej instalacji laserowej. Celem jest około 20 proc. prędkości światła, czyli niemal 60 tys. km/s. Przy takim tempie niewielka sonda mogłaby przelecieć ponad 4 lata świetlne dzielące nas od systemu Alfa Centauri w mniej więcej 20 lat.

O pomyśle wysłania laserowego żagla do najbliższych gwiazd pisaliśmy już na Spider’s Web kilka lat temu. Problem nie polega jednak wyłącznie na zbudowaniu odpowiednio potężnego lasera i żagla, który nie wyparuje po jego uruchomieniu. Jeżeli kiedyś spróbujemy rozpędzić podobne pojazdy jeszcze bardziej, klasyczna fizyka zaczyna przestawać wystarczać.

Chao Shen i Jiaze Li z Harbin Institute of Technology przeanalizowali zachowanie żagla przy prędkościach stanowiących znaczącą część prędkości światła. Zamiast traktować nacisk promieniowania jako jedną siłę, rozdzielili go na kilka elementów związanych z tym, co dzieje się z fotonami na powierzchni.

Pierwszy jest sam impuls nadlatującego światła. Drugi pochodzi z odbicia zwierciadlanego, kiedy fotony odbijają się od żagla w uporządkowany sposób. Trzeci wiąże się ze światłem rozpraszanym w wielu kierunkach przez rzeczywistą powierzchnię. Przy małej prędkości wszystkie te efekty pomagają rozpędzać pojazd. Sytuacja zaczyna się zmieniać, gdy żagiel bardzo szybko oddala się od źródła laserowego.

Dla statku docierające z tyłu światło jest coraz mocniej przesunięte ku niższym częstotliwościom. To relatywistyczny efekt Dopplera, podobny w zasadzie do zmiany wysokości dźwięku przejeżdżającej karetki, choć w tym przypadku dotyczy promieniowania elektromagnetycznego. Fotony widziane przez uciekający żagiel mają coraz mniej energii, a ich zdolność do dalszego rozpędzania konstrukcji maleje. Im szybciej statek już leci, tym mniej efektywnie działa więc ten sam laser.

Najciekawszy efekt pojawia się przy około 0,75 prędkości światła. To około 224,8 tys. km/s. W modelu wykorzystanym przez badaczy światło rozproszone na powierzchni żagla do tego momentu wnosi niewielki, ale dodatni wkład w ciąg. Po przekroczeniu 0,75 c jego działanie się odwraca.

Odpowiada za to relatywistyczna aberracja światła. Przy tak dużej prędkości kierunki, z których obserwator widzi poruszające się fotony, zaczynają wyglądać inaczej niż przy prędkościach znanych z codziennego świata. Dla obserwatora pozostającego przy źródle lasera rozproszone przez żagiel promieniowanie zostaje coraz silniej skupione w kierunku ruchu statku. Jeżeli fotony zabierają pęd do przodu, żagiel dostaje reakcję skierowaną w przeciwną stronę. Światło, które wcześniej pomagało, zaczyna więc generować opór.

Badanie nie pokazuje jednak istnienia twardej bariery przy 0,75 c. Rozproszone światło odpowiada tylko za jeden z elementów bilansu. Samo padające promieniowanie i uporządkowane odbicie fotonów nadal przekazują statkowi pęd w kierunku lotu. Po zsumowaniu wszystkich składników całkowita siła w analizowanym modelu pozostaje dodatnia. Żagiel nadal może się rozpędzać, tylko coraz większa część energii lasera przynosi coraz mniejszy efekt.

To rozróżnienie jest tutaj naprawdę szalenie ważne. Nie odkryto prędkości, której żagiel świetlny fizycznie nie może przekroczyć. Znaleziono jednak kolejne źródło strat, które staje się istotne dopiero w ekstremalnie relatywistycznym locie.

Im więcej światła odbije się zwierciadlanie, zamiast zostać pochłonięte lub rozproszone, tym skuteczniejszy pozostanie napęd. Idealny żagiel powinien więc jak najdokładniej odbijać konkretną długość fali używanego lasera. Problem jednak leży w tym, że musi być jednocześnie ekstremalnie lekki, cienki, odporny termicznie i wystarczająco stabilny mechanicznie.

Przy międzygwiezdnym napędzie laserowym nawet niewielka część pochłoniętej energii może oznaczać wręcz potężne ogrzewanie. Właśnie dlatego rozwijane dla takich konstrukcji materiały coraz częściej przypominają skomplikowane struktury fotoniczne, a nie po prostu cienką metalową folię. Projektant przyszłego żagla będzie musiał więc walczyć o niemal każdy foton. Ten odbity dokładnie tak, jak zaplanowano, pomaga rozpędzać sondę. Ten rozproszony w niepożądany sposób przy odpowiednio dużej prędkości może zacząć robić coś przeciwnego.

Przeczytaj także:

Autorzy sprawdzili również bardziej skrajny model powierzchni pochłaniającej promieniowanie i później emitującej energię. W takim przypadku krytyczna prędkość może być jeszcze niższa i wynosić około 2/3 prędkości światła. To mniej więcej 200 tys. km/s.

Nie oznacza to jednak, że każdy prawdziwy żagiel osiągnie dokładnie jedną z tych dwóch wartości i nagle zacznie hamować. Rzeczywisty wynik będzie zależał od materiału, odbijalności, sposobu rozpraszania promieniowania, temperatury i geometrii konstrukcji. Badanie pokazuje natomiast, że właściwości optyczne żagla nie są ważne tylko podczas startu. Ich znaczenie zmienia się wraz z prędkością i przy locie relatywistycznym trzeba uwzględniać efekty, które przy obecnych sondach są praktycznie niewidoczne.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI