Αν θέλουμε να φτάσουμε σε κάποιο άλλο αστέρι, η χημική προώθηση δεν μπορεί να μας πάει εκεί σε ένα λογικό χρονικό πλαίσιο. Θα χρειαστούμε μια διαφορετική τεχνολογία και μια από τις πιο υποσχόμενες φαίνεται να είναι το ηλιακό ιστίο (solar sail). Αυτές οι γιγάντιες αντανακλαστικές επιφάνειες αποτελούν τη βάση πολλών διαστρικών αποστολών. Σε συνδυασμό με γιγάντια λέιζερ που τα ωθούν, μπορούν να επιταχυνθούν σε ταχύτητες απρόσιτες για οποιαδήποτε άλλη τρέχουσα τεχνολογία.
Ωστόσο, σύμφωνα με μια νέα μελέτη από τους Chao Shen και Jiaze Li του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Χαρμπίν, μόλις αυτές οι αποστολές αρχίσουν να πλησιάζουν ένα σημαντικό ποσοστό της ταχύτητας του φωτός, θα βρεθούν αντιμέτωπες με μια δύναμη οπισθέλκουσας (drag force) που προέρχεται από το ίδιο το φως.
Η μελέτη αναλύει τις τρεις δυνάμεις που ασκούν τα φωτόνια όταν προσκρούουν σε ένα ηλιακό ιστίο. Με σειρά φθίνουσας αποτελεσματικότητας, αυτές είναι:
- Το προσπίπτον φως (η καθαρή ορμή των φωτονίων που χτυπούν το ιστίο)
- Η κατοπτρική ανάκλαση (η ορμή που μεταδίδεται όταν τα φωτόνια αναπηδούν τέλεια πάνω στο ιστίο)
- Η διάχυτη σκέδαση (η ορμή από φωτόνια που απορροτώνται από το ιστίο και στη συνέχεια επανεκπέμπονται προς τυχαίες κατευθύνσεις)
Τα προβλήματα ξεκινούν όταν το ιστίο αρχίζει να αποκτά σχετικιστικές ταχύτητες. Καθώς απομακρύνεται με μεγάλη ταχύτητα από την πηγή φωτός, αρχίζει να βιώνει ένα έντονο φαινόμενο Doppler. Καθώς η συχνότητα του φωτός πέφτει, η ώθηση που παράγεται από τα τρία συστατικά του φωτός μειώνεται ραγδαία, καθιστώντας όλο και πιο δύσκολη τη συνεχή επιτάχυνση όσο πιο γρήγορα κινείται το σκάφος.
Η ανατροπή στα υψηλά σχετικιστικά όρια
Τα πράγματα γίνονται ακόμη χειρότερα όταν το ιστίο φτάσει το 75% της ταχύτητας του φωτός. Σε αυτό το σημείο, κυριαρχεί ένα φαινόμενο που ονομάζεται σχετικιστική εκτροπή του φωτός (relativistic light aberration).
Από την οπτική γωνία ενός σταθερού παρατηρητή στη Γη, το διάχυτα σκεδαζόμενο φως κατευθύνεται προς τα εμπρός, δηλαδή προς την κατεύθυνση κίνησης του ιστίου. Επειδή κάθε δράση πρέπει να έχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση, αυτό σημαίνει ότι η διάχυτη σκέδαση -αν και είναι η πιο αδύναμη από τις τρεις δυνάμεις- μετατρέπεται σε ενεργή οπισθέλκουσα (φρενάρισμα) για το σύστημα μετά το 75% της ταχύτητας του φωτός.
Ομολογουμένως, η καθαρή δύναμη από το λέιζερ ώθησης παραμένει θετική σε εκείνο το σημείο, αλλά η πτώση της αποδοτικότητας είναι σημαντική. Αξίζει να σημειωθεί ότι η εργασία επικεντρώνεται αποκλειστικά στη ραδιενεργό δυναμική και δεν λαμβάνει υπόψη μη ακτινοβολικούς παράγοντες, όπως η τριβή από διαστρικά αέρια ή σκόνη, ούτε εξετάζει τους θερμικούς περιορισμούς των υλικών του ιστίου, όπως το πιθανό λιώσιμο κάτω από την επίδραση λέιζερ υψηλής ισχύος.
Η μελέτη αντιμετωπίζει το υλικό του ιστίου ως έναν ιδανικό καθρέφτη. Στην πράξη, οι αεροδιαστημικοί μηχανικοί εξερευνούν προηγμένα μεταϋλικά και φωτονικούς κρυστάλλους συντονισμένους σε συγκεκριμένα μήκη κύματος λέιζερ. Αυτά τα υλικά θα μπορούσαν ενδεχομένως να αξιοποιήσουν τα φαινόμενα εκτροπής που συζητούνται στην εργασία για να αυτοδιορθώνουν ενεργά και να σταθεροποιούν την πορεία πτήσης του ιστίου, διασφαλίζοντας ότι παραμένει κεντραρισμένο στη δέσμη.
Απέχουμε ακόμη πολύ από το να κατασκευάσουμε και να δοκιμάσουμε στην πράξη ένα πλήρως λειτουργικό διαστρικό ηλιακό ιστίο. Όταν ταξιδεύει κανείς τόσο μακριά, υπάρχουν ακόμη περισσότερες επιπλοκές, όπως η καμπυλότητα του χωροχρόνου, την οποία η μελέτη επίσης απλοποιεί και παραλείπει.
Αλλά κάθε βήμα προς την κατανόηση της δυναμικής πτήσης σε ένα τέτοιο σύστημα είναι ένα βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση, επειδή, όταν τελικά αποφασίσουμε να στείλουμε έναν ανιχνευτή σε ένα άλλο αστέρι, θα χρειαστούμε όλη τη μηχανική γνώση και κατανόηση που μπορούμε να έχουμε.
