Međuzvezdana solarna jedra nailaze na neobičan problem pri 75% brzine svetlosti

Solarna jedra potiskivana moćnim laserima mogla bi dostići neverovatne brzine, ali bi relativnost na kraju mogla učiniti da sama svetlost deluje protiv njih. Pri otprilike 75% brzine svetlosti, raštrkani fotoni mogu početi da stvaraju otpor, dodajući iznenađujuću prepreku međuzvezdanom putovanju.

Dolazak do druge zvezde u praktičnom roku zahtevaće nešto mnogo sposobnije od hemijskih raketa. Jedna od vodećih ideja je solarno jedro, velika reflektujuća struktura koju može da gura svetlost. Ako se izuzetno moćni laseri usmere na takvo jedro, mogli bi ga ubrzati do brzina mnogo većih nego što trenutni pogonski sistemi mogu da postignu.

Preporučujemo

Međutim, može se javiti neočekivani problem kad svetlosno jedro počne da putuje značajnim delom brzine svetlosti. Novi rad sa Harbinskog instituta za tehnologiju kaže da bi ista svetlost koja se koristi za pogon jedra mogla u jednom trenutku proizvesti efekat otpora.

Kako svetlost gura solarno jedro

Istraživači dele sile koje proizvode fotoni udarajući u solarno jedro u tri kategorije. Najveći doprinos dolazi od impulsa fotona koji udaraju u jedro. Zatim sledi impuls koji se dobija kad se fotoni savršeno odbijaju od jedra. Najslabiji doprinos daje difuzno rasejanje (impuls fotona koje jedro apsorbuje i onda ponovo emituje u nasumičnim pravcima).

Pri relativno niskim brzinama, svi ovi efekti doprinose guranju jedra napred. Situacija postaje mnogo komplikovanija kad se svemirska letelica približi brzini svetlosti.

Doplerov efekat smanjuje potisak

Dok jedro juri dalje od izvora lasera, svetlost koja stiže do njega podleže sve jačem Doplerovom efektu. Frekvencija dolazeće svetlosti opada, smanjujući količinu potiska koju proizvode sve tri komponente.

Kao rezultat, ubrzanje postaje sve manje efikasno. Što jedro brže putuje, laseru postaje teže da nastavi da povećava brzinu. Situacija se menja još drastičnije kad svetlosno jedro dostigne oko 75% brzine svetlosti.

Kad raštrkana svetlost počinje da stvara otpor

Pri toj brzini, relativistička svetlosna aberacija postaje značajna. Sa tačke gledišta stacionarnog posmatrača na Zemlji, difuzno rasejana svetlost počinje da bude usmerena napred, u pravcu u kom jedro putuje.

Pošto svaka akcija ima jednaku i suprotnu reakciju, to napred usmereno zračenje proizvodi silu u suprotnom smeru. To znači da difuzno rasejanje počinje da deluje kao otpor kad jedro premaši otprilike 75% brzine svetlosti.

Laser i dalje gura jedro napred, tako da ukupna sila ne postaje negativna. Međutim, efikasnost pogonskog sistema znatno opada.

Prava solarna jedra suočila bi se sa još više izazova

Studija je posebno fokusirana na radijativnu dinamiku. Ne uključuje neradijativne efekte poput sudara i otpora od međuzvezdanog gasa ili prašine.

Takođe izostavlja toplotna ograničenja materijala za jedra. Jedro izloženo izuzetno moćnom laseru moglo bi se pregrejati ili čak istopiti.

Radi jednostavnosti, istraživači modeliraju svetlosno jedro kao idealizovano ogledalo. Stvarne svemirske letelice bi verovatno koristile mnogo sofisticiranije materijale.

Inženjeri već istražuju napredne metamaterijale i fotonske kristale dizajnirane za specifične laserske talasne dužine. U principu, ovi materijali bi čak mogli iskoristiti efekte aberacije. Mogli bi pomoći svetlosnom jedru da automatski popravi svoju orijentaciju i stabilizuje svoju putanju tako da ostane centrirano u okviru laserskog snopa.

Potpuno operativno međuzvezdano solarno jedro je još daleko od toga da postane stvarnost. Putovanje preko međuzvezdanih distanci donosi mnoge dodatne komplikacije, uključujući zakrivljenost prostor-vremena.

Ipak, razumevanje ovih efekata pri velikim brzinama je važan deo utvrđivanja kako bi takve letelice mogle funkcionisati. Ako čovečanstvo jednog dana pošalje sondu do druge zvezde, inženjerima će biti potrebno detaljno razumevanje svake sile koja bi mogla uticati na njeno putovanje.

(Telegraf Nauka/Science Daily)