Żagle słoneczne mają poważny problem. I jest nim prędkość.

Pewnie nigdy nie myślałeś o tym w ten sposób, ale światło napiera na wszystko dookoła. Cały czas. Nawet teraz, gdy czytasz ten tekst, setki miliardów fotonów uderzają w tę stronę i delikatnie ją popychają. To siła tak mikroskopijna, że w normalnych warunkach możemy ją kompletnie zignorować. Ale w próżni kosmicznej, gdzie nic jej nie hamuje, potrafi zdziałać cuda.

Naukowcy z Harbin Institute of Technology właśnie opublikowali badania, które pokazują, że przy bardzo wysokich prędkościach żagle słoneczne zaczynają się zachowywać... dziwnie.

Jak to w ogóle działa

Żagiel słoneczny to w zasadzie ogromne, niesamowicie cienkie lustro. Gdy światło słoneczne odbija się od jego powierzchni, każdy foton przekazuje odrobinę pędu. Nazywamy to ciśnieniem promieniowania.

W codziennym życiu efekt jest żaden. Ale w kosmosie? Tam nie ma tarcia, żadnego oporu powietrza. Drobnеньkie pchanie dodaje się do następnego, i następnego, i następnego. Po miesiącach, latach — statek z odpowiednio dużym żaglem rozpędza się do naprawdę imponujących prędkości. I nie potrzebuje przy tym ani grama paliwa.

Brzmi nieźle, prawda? No to jest jeszcze ciekawszy pomysł.

Niektórzy naukowcy chcą zamiast światła słonecznego użyć potężnych laserów. Skierowaliby precyzyjnie skupione wiązki na żagiel i rozpędzili maleńką sondę do ułamka prędkości światła. W teorii — mogłaby dotrzeć do najbliższych gwiazd w ciągu jednego ludzkiego życia zamiast tysięcy lat.

Brzmi jak science fiction? Bo to właściwie jest science fiction. Na razie.

I tutaj pojawia się problem.

Gdy prędkość rośnie, fizyka zaczyna się buntować

Okazuje się, że światło oddziałuje na żagiel na trzy sposoby. Po pierwsze — fotony po prostu uderzają w powierzchnię i ją popychają. Po drugie — odbijają się, a przy tym przekazują dodatkowy pęd. Po trzecie — część światła jest absorbowana przez materiał, a potem emitowana w losowych kierunkach (tzw. rozproszenie dyfuzyjne).

Przy normalnych prędkościach wszystkie trzy mechanizmy pomagają. Ale gdy zaczynamy się zbliżać do prędkości relatywistycznych, pojawiają się efekty, które zwyczajnie zaskakują.

Pierwszy kłopot to efekt Dopplera. Gdy żagiel ucieka od lasera, światło docierające do niego ulega czerwonym przesunięciu — jego częstotliwość spada. Każdy foton niesie wtedy mniej energii, więc pchnięcie słabnie. Im szybciej lecisz, tym trudniej przyspieszać.

Ale to dopiero rozgrzewka.

Tam, gdzie zaczyna się opór

Mniej więcej przy 75% prędkości światła pojawia się zjawisko zwane relatywistycznym z aberracją światła. Z punktu widzenia obserwatora z Ziemi światło rozproszone nagle zamiast lecieć w każdą stronę, zaczyna być wypromieniowywane do przodu — w kierunku ruchu żagla.

Pamiętasz trzecią zasadę dynamiki Newtona? Każda akcja ma równą i przeciwną reakcję. Skoro rozproszone światło leci teraz do przodu, to musi popychać żagiel do tyłu. Powstaje opór. Nie na tyle duży, żeby zatrzymać statek, ale wystarczający, żeby cały układ był mniej wydajny.

Wyobraź sobie, że płyniesz w basenie. W normalnej sytuacji odpychasz wodę do tyłu i płyniesz do przodu. A teraz wyobraź sobie, że woda, którą odpychasz, nagle jakoś omija cię i popycha cię do przodu. Nadal się poruszasz, ale każdy twój ruch traci sens.

Dokładnie tak wygląda sytuacja z żaglem przy wysokich prędkościach.

Prawdziwe materiały to jeszcze inna historia

Wspomniane badania dotyczą idealnego żagla, który całkowicie odbija światło. Prawdziwe konstrukcje musiałyby stawić czoła dodatkowym wyzwaniom.

W interstellar space nie ma idealnej próżni. Między gwiazdami pływają atomy, drobiny pyłu, cząstki naładowane. Przy prędkościach zbliżonych do światła nawet skrajnie rozrzedzona materia może powodować erozję lub dodatkowy opór.

Jest też kwestia termiczna. Skierowanie potężnego lasera na cienki materiał to przepis na jego stopienie lub odparowanie. Inżynierowie już myślą o zaawansowanych metamateriałach i kryształach fotonicznych, które mogłyby wytrzymać takie obciążenia. Niektóre projekty zakładają nawet wykorzystanie efektów aberracji do automatycznej stabilizacji żagla.

Dlaczego warto o tym wiedzieć

Możesz powiedzieć: "No to polecimy wolniej, problem z głowy."

Sprawa nie jest taka prosta.

Przelot między gwiazdami i tak jest niewyobrażalnie trudny. Cała idea żagli słonecznych i napędu laserowego polega na tym, żeby osiągnąć prędkości relatywistyczne — bo tylko wtedy podróż trwa dekady zamiast tysięcy lat. Jeśli wysyłamy sondę do Proxima Centauri, chcemy, żeby dotarła za naszego życia. Nie po tym, jak ludzkość kilka razy się podniesie i upadnie.

Te subtelne efekty fizyczne mogą być różnicą między misją, która ledwo zipie, a taką, która naprawdę dociera do celu.

Poza tym to po prostu fascynujące, jak fizyka staje się dziwniejsza w miarę zbliżania się do prędkości światła. Na co dzień myślimy, że rozumiemy światło i ruch. Ale przy ułamkach prędkości światła pojawiają się zjawiska, które brzmią niemal paradoksalnie.

Universe ma wbudowane ograniczenia prędkości na drodze do gwiazd. Odkrycie, jak je obejść, to właśnie sprawia, że podróże międzygwiezdne są tak fascynującym wyzwaniem. Kto wie, może kiedyś inżynierowie rozwiążą te problemy i będziemy oglądać, jak żagiel słoneczny znika w kierunku Alfa Centauri, niosąc nasze nadzieje do innej gwiazdy. Do tego czasu — liczymy i dziwimy się, ile jeszcze mamy do nauczenia.