Solseil kan bremse seg selv – særlig når du trenger fart mest

Her er noe som får deg til å klø deg i hodet: hva skjer når det som dytter romfartøyet ditt fremover, plutselig jobber mot deg?

Forskere ved Harbin Institute of Technology fant nylig ut at akkurat dette skjer. Og ærlig talt – det er en av de oppdagelsene som får deg til å sette pris på hvor merkelig universet er når du begynner å bevege deg skikkelig fort.

Slik fungerer solseil

La meg forklare hvordan solseil fungerer, for dette er skikkelig kult. Du kjenner varmen fra sola på huden, ikke sant? Den varmen har faktisk bevegelsesmengde. Når fotoner treffer en flate, så dytter de – bare veldig, veldig svakt.

Et solseil er i bunn og grunn et digert reflekterende ark, som et kjempestort speil laget av utrolig tynt materiale. Når sollyset spretter av, endrer alle de fotonene retning, og den endringen skaper en liten skyvekraft. Det er ikke mye, men i det friksjonsløse verdensrommet bygger det seg opp over tid. Et romfartøy med et stort nok seil kan bygge opp skikkelig fart uten å trenge drivstoff.

Her blir det ambisiøst: noen forskere vil bruke kraftige lasere i stedet for bare sollys. Ved å sende ekstremt fokuserte stråler mot et lysseil, kan vi i teorien akselerere et lite romfartøy til en betydelig del av lysets hastighet – kanskje til og med nå nabove stjerner i løpet av et menneskeliv i stedet for titusenvis av år.

Men det er et problem. Og det er et rart et.

Når lyset snør

Forskerne oppdaget at lys faktisk dytter på tre ulike måter:

For det første: selve støtet fra innkommende fotoner som treffer seilet. Det er den viktigste skyvekraften. For det andre: bevegelsesmengden fra lys som spretter av (perfekt refleksjon gir mer fart enn rotete spredning). For det tredje: noe som kalles diffus spredning, der litt lys blir absorbert av seilmaterialet og deretter sendt ut igjen i tilfeldige retninger.

Ved vanlige hastigheter hjelper alle tre deg fremover. Men når du begynner å komme opp i relativistiske hastigheter, blir ting merkelig.

Her er det første problemet: Doppler-effekten. Når seilet suser bort fra laseren, blir lyset som treffer det rødforskjøvet – frekvensen synker. Det betyr at hver foton har mindre energi, så skyvekraften svekkes. Jo fortere du går, desto vanskeligere er det for laseren å holde deg i akselerasjon.

Men så kommer en annen effekt som setter inn rundt 75 prosent av lysfarten. Her blir det skikkelig motintuitivt.

Dragproblemet ved høy hastighet

Ved 75 prosent av lysets hastighet blir det som kalles relativistisk lysaberrasjon viktig. Sett fra oss som ser på fra jorden, begynner det spredte lyset å stråle fremover – i retningen seilet reiser – i stedet for i alle retninger.

Husker du at enhver handling har en like stor motsatt reaksjon? Jo, når alt det spredte lyset går fremover, dytter det bakover på seilet. Det skaper drag – ikke nok til å stoppe romfartøyet, men nok til at hele systemet blir mindre effektivt.

Tenk deg at du svømmer, men vannet du dytter bakover plutselig renner rundt og dytter deg fremover i stedet. Du ville fremdeles bevege deg, men svømmetogene dine ville ikke fungere like godt.

Virkelige materialer ville gjort det enda vanskeligere

Jeg bør nevne at denne forskningen så på et idealisert, perfekt reflekterende seil. Virkelige seil måtte takle flere komplikasjoner som artikkelen ikke dekker.

For det første: det faktiske interstellare mediet – atomer og støv som flyter mellom stjerner. Ved disse hastighetene kunne selv spredte partikler forårsake skade eller drag. Det er også et termisk problem: å rette en utrolig kraftig laser mot et tynt materiale kan føre til at det smelter eller fordamper.

Ingeniører tenker allerede på avanserte materialer som metamaterialer og fotoniske krystaller som kan designes til å håndtere spesifikke laserbølgelengder. Noen design kan til og med utnytte aberrasjonseffektene, slik at seilet automatisk stabiliserer orienteringen.

Hvorfor dette fremdeles betyr noe

Jeg vet hva du kanskje tenker: «Greit, så det er et problem ved 75 prosent av lysfarten. Da kjører vi bare saktere, ikke sant?»

Men her er greia – å reise mellom stjerner er vanskelig nok uten å legge til vilkårlige fartsgrenser. Hele poenget med disse teoretiske romfartøyene er å nå relativistiske hastigheter slik at reisen tar tiår i stedet for tusenår. Hvis vi prøver å sende en probe til Proxima Centauri, vil vi at den skal ankomme innen et menneskeliv, ikke etter at sivilisasjoner har reist seg og falt flere ganger.

Så å forstå disse subtile effektene betyr noe. Det er den typen ting som kan være forskjellen mellom en mission som så vidt fungerer og en som faktisk når frem til målet.

Det er også et vakkert eksempel på hvordan fysikk blir merkeligere jo fortere du beveger deg. Vi tror vi forstår lys og bevegelse fra hverdagens erfaring, men når du begynner å bevege deg i meningsfulle brøkdeler av lysets hastighet, dukker det opp nye effekter som føles nesten paradoksale.

Universet viser seg å ha noen innebygde fartshumper på veien til stjernene. Å finne ut hvordan vi kan komme oss rundt dem, er det som gjør interstellare reiser til en så fascinerende utfordring.

Kanskje en dag vil ingeniører løse disse problemene, og vi vil se et lysseil forsvinne mot Alpha Centauri, med håpene våre til en annen stjerne. Inntil da blir vi sittende og regne, og undre oss over hvor mye vi fremdeles har å lære.