Alcançar outra estrela dentro de um prazo prático exigiria algo muito mais capaz do que foguetes químicos. Uma das ideias principais é uma vela solar, uma grande estrutura reflexiva que pode ser empurrada pela luz. Se lasers extremamente poderosos fossem apontados para tal vela, poderiam acelerá-la muito além da velocidade dos atuais sistemas de propulsão.
Mas uma vez que a vela leve começa a viajar a uma fração significativa da velocidade da luz, um problema inesperado pode ocorrer. A mesma luz usada para impulsionar uma vela pode eventualmente criar um efeito de arrasto, de acordo com um novo artigo no arXiv de Chao Shen e Jiazhe Li do Harbin Institute of Technology.
Como a luz empurra uma vela solar?
Os pesquisadores separaram as forças geradas pelos fótons que atingem a vela solar em três categorias.
A contribuição mais forte vem da luz incidente (o momento bruto do fóton atingindo a vela). A seguir vem a reflexão especular (a velocidade ganha quando os fótons ricocheteiam completamente na vela). A contribuição mais fraca vem do espalhamento difuso (momento dos fótons que são absorvidos pela vela e depois emitidos em direções aleatórias).
Em velocidades relativamente baixas, todos estes efeitos contribuem para impulsionar a vela. Quando a espaçonave atinge a velocidade relativística, a situação se torna mais complexa.
O efeito Doppler enfraquece o impulso
À medida que a vela se afasta da fonte do laser, a luz que a atinge sofre desvios Doppler cada vez mais fortes. A frequência da luz que entra é reduzida, reduzindo assim a quantidade de impulso gerado por todos os três componentes.
Como resultado, a aceleração constante torna-se progressivamente menos eficiente. Quanto mais rápido a vela se move, mais difícil será para o laser aumentar sua velocidade.
Quando a vela leve atinge cerca de 75% da velocidade da luz, a situação muda ainda mais dramaticamente.
Quando a luz dispersa começa a criar tensão
Nessa velocidade, as aberrações relativísticas da luz tornam-se significativas. Do ponto de vista de um observador estacionário na Terra, a luz amplamente espalhada parece estar direcionada para a frente, na direção em que a vela está viajando.
Como toda ação tem uma reação igual e oposta, a radiação direcionada para frente produz uma força na direção oposta. Isto significa que a dispersão difusa (provavelmente a mais fraca das três forças) começa a agir como arrasto quando a vela excede cerca de 75% da velocidade da luz.
O laser ainda está movendo a vela como um todo, então a força resultante não é negativa. No entanto, a eficiência do sistema de propulsão é substancialmente reduzida.
Velas solares reais enfrentarão ainda mais desafios
O estudo se concentra especificamente na dinâmica radiativa. Não inclui efeitos não radiativos, como colisões e arrasto de gás ou poeira interestelar.
Isto também contorna as limitações térmicas do material real da vela. A exposição a lasers extremamente potentes pode superaquecer ou até derreter a vela.
Para simplificar, os pesquisadores modelaram a vela luminosa como um espelho perfeito. A espaçonave real provavelmente usará materiais mais sofisticados.
Os engenheiros já estão investigando metamateriais avançados e cristais fotônicos projetados para comprimentos de onda de laser específicos. Em teoria, esses materiais também poderiam aproveitar os efeitos de difração descritos no estudo. Eles podem ajudar uma vela leve a corrigir automaticamente sua orientação e estabilizar sua trajetória para que permaneça focada dentro do feixe de laser.
longo caminho do voo interestelar
Uma vela solar interestelar totalmente operacional ainda está longe de se tornar uma realidade. Viajar através de distâncias interestelares introduz muitas complexidades adicionais, incluindo a curvatura do espaço-tempo, que o artigo também simplifica.
Ainda assim, compreender estes efeitos de alta velocidade é uma parte importante para determinar como tal nave espacial poderá funcionar. Se algum dia a humanidade enviar uma sonda para outra estrela, os engenheiros precisarão de uma compreensão detalhada de todas as forças que podem afectar a sua viagem.
