Foto: MacKenzi Martin

Úvod do mezihvězdných solárních plachet

Solární plachty poháněné silnými lasery by mohly dosáhnout neuvěřitelných rychlostí, ale relativita může nakonec způsobit, že samotné světlo začne proti nim pracovat. Při rychlosti kolem 75 % rychlosti světla mohou rozptýlené fotony začít vytvářet odpor, což představuje překvapivou překážku pro mezihvězdné cestování.

Autor původního článku: Andy Tomaswick

Jak světlo pohání solární plachtu

Difrakční solární plachty, jak je znázorněno na této konceptuální ilustraci, by mohly umožnit mise na těžko dosažitelná místa. Dosáhnout jiné hvězdy v praktickém časovém horizontu bude vyžadovat něco mnohem schopnějšího než chemické rakety. Jedním z předních nápadů je solární plachta, velká reflexní struktura, kterou lze pohánět světlem. Pokud by na takovou plachtu byly zaměřeny extrémně silné lasery, mohly by ji urychlit na rychlosti daleko přesahující to, co současné pohonné systémy mohou dosáhnout.

Nicméně může nastat neočekávaný problém, jakmile se světelná plachta začne pohybovat významnou částí rychlosti světla. Podle nového článku na arXiv od Chao Shena a Jiaze Li z Harbin Institute of Technology může stejné světlo použité k pohonu plachty nakonec vyvolat efekt odporu.

Fyzika fotonů a relativistické efekty

Výzkumníci rozdělují síly produkované fotony dopadajícími na solární plachtu do tří kategorií. Největší příspěvek pochází z dopadajícího světla (tedy z hrubého momentu fotonů narážejících na plachtu). Další je zrcadlový odraz (moment předaný, když se fotony dokonale odrazí od plachty). Nejslabší příspěvek pochází z difuzního rozptylu (moment z fotonů, které jsou absorbovány plachtou a poté znovu vyzařovány v náhodných směrech).

Při relativně nízkých rychlostech všechny tyto efekty přispívají k pohonu plachty vpřed. Situace se stává mnohem složitější, jakmile kosmická loď dosáhne relativistických rychlostí.

Dopplerův efekt a jeho dopady

Jak se plachta vzdaluje od zdroje laseru, světlo, které ji dosahuje, podléhá stále silnějšímu Dopplerovu posunu. Frekvence přicházejícího světla klesá, což snižuje množství tahu produkovaného všemi třemi složkami. Výsledkem je, že pokračující zrychlování se stává postupně méně efektivním. Čím rychleji plachta cestuje, tím obtížnější je pro laser udržet její rychlost.

Situace se mění ještě dramatičtěji, jakmile světelná plachta dosáhne přibližně 75 % rychlosti světla. Při této rychlosti se relativistická aberace světla stává důležitou. Z pohledu stacionárního pozorovatele na Zemi začíná difuzně rozptýlené světlo být směrováno vpřed, směrem, kterým plachta cestuje. Protože každá akce má stejnou a opačnou reakci, toto vpřed směřující záření vytváří sílu v opačném směru.

Výzvy pro reálné solární plachty

Studie se zaměřuje konkrétně na radiativní dynamiku. Nezahrnuje neradiativní efekty, jako jsou kolize a odpor z mezihvězdného plynu nebo prachu. Také vynechává tepelné limity skutečných materiálů plachet. Plachta vystavená extrémně silnému laseru by se mohla potenciálně přehřát nebo dokonce roztavit.

Pro zjednodušení modelují výzkumníci světelnou plachtu jako idealizované zrcadlo. Skutečné kosmické lodě by pravděpodobně používaly mnohem sofistikovanější materiály. Inženýři již zkoumají pokročilé metamateriály a fotonické krystaly navržené pro specifické vlnové délky laserů. V zásadě by tyto materiály mohly dokonce využít aberaci popsanou ve studii. Mohly by pomoci světelné plachtě automaticky korigovat její orientaci a stabilizovat její trajektorii tak, aby zůstala soustředěna v laserovém paprsku.

Budoucnost mezihvězdného letu

Plně funkční mezihvězdná solární plachta je stále daleko od reality. Cestování přes mezihvězdné vzdálenosti přináší mnoho dalších komplikací, včetně zakřivení časoprostoru, které článek také zjednodušuje. Přesto je pochopení těchto vysokorychlostních efektů důležitou součástí určení, jak by takové kosmické lodě mohly nakonec fungovat. Pokud lidstvo někdy vyšle sondu k jiné hvězdě, inženýři budou potřebovat podrobné pochopení každé síly, která by mohla ovlivnit její cestu.