Мрія про політ до сусідніх зірок на світлових вітрилах зіткнулася з суворою фізикою

Найбільш життєздатною ідеєю польоту до інших зірок залишається світловий парус, який разом з невеликим зондом можна за допомогою лазерів розігнати до значної частки швидкості світла. Такі проекти розглядаються і навіть реалізуються на найранніших етапах підтвердження концепції. Але все не так просто, з'ясували китайські вчені. На релятивістських швидкостях фізика світла буде серйозно заважати процесу розгону.

Джерело зображення: NASA / Grover Swartzlander

Нюанси фізики світла на околосвітових швидкостях для світлового паруса виявили вчені з Харбінського технологічного інституту (Harbin Institute of Technology). Однак навіть їхня робота розглядає в значній мірі ідеалізовану модель без урахування безлічі факторів, наприклад, викривлення простору-часу та наявності космічного пилу в міжзоряному просторі. Тим не менш, вчені на конкретних розрахунках показали, що рух під світловим парусом вимагає більш глибокої опрацювання технології.

Вчені попереджають, що в міру розгону паруса падає ефективність передачі імпульсу від світла (фотонів) до паруса. Світло впливає на парус трьома способами: прямою передачею імпульсу фотонів, відбиттям фотонів і дифузійним розсіюванням, коли фотони поглинаються матеріалом паруса, а потім переизлучаються в випадковому напрямку. Прямий імпульс фотонів має найбільший вплив на парус. Вклад відбиття менший, а ще менший вклад вносить дифузне розсіювання. Більше того, для розсіяного світла існує критична швидкість, після якої його вклад перетворюється вже не на тягу, а на гальмівну силу.

Нарешті, всі три ефекти, що створюють тягу за рахунок світла, ослаблюються в міру розгону паруса, що відбувається внаслідок ефекту Доплера. Для паруса на околосвітових швидкостях світло, що штовхає його, зміщується в червону область спектра, що означає зниження частоти випромінювання та ослаблення механізмів тяги. При досягненні позначки в 75 % швидкості світла дифузне розсіювання стає гальмівним фактором, оскільки розсіювання переважно починає відбуватися в напрямку польоту. Іншими словами, ефективний розгін можливий на початковій стадії польоту, але потім ККД лазерів, що штовхають парус і зонд, починає швидко падати, що досі не враховувалося в повній мірі при розгляді подібних проектів.

Вчені роблять висновок, що майбутні світлові паруси повинні проектуватися не як прості дзеркальні плівки, а як складні фотонні структури — на основі метаматеріалів або фотонних кристалів, налаштованих під певні довжини хвиль і режими руху.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки