الأشرعة الشمسية بين النجوم تواجه مشكلة غريبة عند 75% من سرعة الضوء

الوصول إلى نجم آخر في إطار زمني عملي يتطلب شيئًا أكثر قدرة بكثير من الصواريخ الكيميائية. إحدى الأفكار الرائدة هي الشراع الشمسي - وهو هيكل عاكس كبير يمكن دفعه بالضوء. إذا تم توجيه ليزر قوي للغاية نحو مثل هذا الشراع، فيمكنه تسريعه إلى سرعات تتجاوز بكثير ما يمكن لأنظمة الدفع الحالية تحقيقه.

ولكن قد تكون هناك مشكلة غير متوقعة بمجرد أن يبدأ الشراع الضوئي في السفر بجزء كبير من سرعة الضوء. وفقًا لورقة بحثية جديدة على arXiv بقلم تشاو شين وجيازي لي من معهد هاربين للتكنولوجيا، فإن نفس الضوء المستخدم لدفع الشراع يمكن أن ينتج في النهاية تأثير سحب.

يقسم الباحثون القوى الناتجة عن الفوتونات التي تضرب الشراع الشمسي إلى ثلاث فئات. أقوى مساهمة تأتي من الضوء الساقط (ذلك الزخم الخام للفوتونات التي تضرب الشراع). تليها الانعكاس المرآوي (الزخم المنقول عندما ترتد الفوتونات بشكل مثالي عن الشراع). أضعف مساهمة تأتي من التشتت المنتشر (الزخم من الفوتونات التي يمتصها الشراع ثم يعاد انبعاثها في اتجاهات عشوائية).

عند السرعات المنخفضة نسبيًا، تساهم هذه التأثيرات جميعها في دفع الشراع إلى الأمام. يصبح الوضع أكثر تعقيدًا بكثير بمجرد وصول المركبة الفضائية إلى سرعات نسبية. بينما يندفع الشراع بعيدًا عن مصدر الليزر، يخضع الضوء الذي يصل إليه لانزياح دوبلر قوي بشكل متزايد. ينخفض تردد الضوء الوارد، مما يقلل من كمية الدفع الناتجة عن جميع المكونات الثلاثة. ونتيجة لذلك، يصبح التسارع المستمر أقل كفاءة بشكل تدريجي. كلما زادت سرعة الشراع، زادت صعوبة استمرار الليزر في زيادة سرعته.

يتغير الوضع بشكل أكثر دراماتيكية بمجرد وصول الشراع الضوئي إلى حوالي 75% من سرعة الضوء. عند تلك السرعة، يصبح الانحراف النسبي للضوء مهمًا. من وجهة نظر مراقب ثابت على الأرض، يبدأ الضوء المبعثر بشكل منتشر في التوجه إلى الأمام، نحو الاتجاه الذي يسافر فيه الشراع. نظرًا لأن لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه، فإن هذا الإشعاع الموجه للأمام ينتج قوة في الاتجاه المعاكس. هذا يعني أن التشتت المنتشر (وهو الأضعف من بين القوى الثلاث) يبدأ في العمل كسحب بمجرد تجاوز الشراع حوالي 75% من سرعة الضوء. لا يزال الليزر يدفع الشراع إلى الأمام بشكل عام، لذلك لا تصبح القوة الكلية سالبة. ومع ذلك، تنخفض كفاءة نظام الدفع بشكل كبير.

ستواجه الأشرعة الشمسية الحقيقية تحديات أكثر. تركز الدراسة على الديناميكا الإشعاعية على وجه التحديد؛ وهي لا تشمل التأثيرات غير الإشعاعية مثل الاصطدامات والسحب من الغاز أو الغبار بين النجوم. كما أنها تستبعد الحدود الحرارية لمواد الشراع الحقيقية. الشراع المعرض لليزر قوي للغاية يمكن أن يسخن بشكل زائد أو حتى يذوب. من أجل البساطة، يصمم الباحثون الشراع الضوئي كمرآة مثالية. من المرجح أن تستخدم المركبات الفضائية الحقيقية مواد أكثر تطورًا.

المهندسون يبحثون بالفعل في مواد متقدمة وبلورات ضوئية مصممة لأطوال موجية محددة لليزر. من حيث المبدأ، قد تستفيد هذه المواد حتى من تأثيرات الانحراف الموصوفة في الدراسة. يمكن أن تساعد الشراع الضوئي على تصحيح اتجاهه تلقائيًا وتثبيت مساره بحيث يظل متمركزًا داخل شعاع الليزر.

لا يزال الشراع الشمسي بين النجوم الذي يعمل بكامل طاقته بعيدًا عن أن يصبح حقيقة. السفر عبر المسافات بين النجوم يقدم العديد من المضاعفات الإضافية، بما في ذلك انحناء الزمكان، والذي تختصره الورقة أيضًا. حتى مع ذلك، فإن فهم هذه التأثيرات عالية السرعة هو جزء مهم من تحديد كيفية عمل مثل هذه المركبات الفضائية في النهاية. إذا أرسلت البشرية يومًا مسبارًا إلى نجم آخر، فسيحتاج المهندسون إلى فهم مفصل لكل قوة يمكن أن تؤثر على رحلته.