Raggiungere un'altra stella in un lasso di tempo praticabile richiederà qualcosa di molto più capace dei razzi chimici. Una delle idee principali è una vela solare - una grande struttura riflettente che può essere spinta dalla luce. Se laser estremamente potenti vengono puntati su tale vela, potrebbero accelerarla a velocità ben oltre quelle raggiungibili con gli attuali sistemi di propulsione.

Ma potrebbe esserci un problema inaspettato quando una vela luminosa inizia a viaggiare a una frazione significativa della velocità della luce. Secondo un nuovo articolo su arXiv di Chao Shen e Jiaze Li dell'Harbin Institute of Technology, la stessa luce usata per spingere la vela potrebbe alla fine produrre un effetto di trascinamento.

I ricercatori separano le forze prodotte dai fotoni che colpiscono una vela solare in tre categorie. Il contributo più forte proviene dalla luce incidente (quel momento grezzo dei fotoni che colpiscono la vela). Poi c'è la riflessione speculare (il momento impresso quando i fotoni rimbalzano perfettamente sulla vela). Il contributo più debole proviene dalla diffusione diffusa (il momento dei fotoni che vengono assorbiti dalla vela e poi riemessi in direzioni casuali).

A velocità relativamente basse, questi effetti contribuiscono tutti a spingere la vela in avanti. La situazione diventa molto più complicata una volta che la navicella raggiunge velocità relativistiche. Mentre la vela si allontana dalla sorgente laser, la luce che la raggiunge subisce uno spostamento Doppler sempre più forte. La frequenza della luce incidente diminuisce, riducendo la quantità di spinta prodotta da tutte e tre le componenti. Di conseguenza, l'accelerazione continua diventa progressivamente meno efficiente. Più veloce viaggia la vela, più difficile diventa per il laser continuare ad aumentarne la velocità.

La situazione cambia ancora più drasticamente quando la vela luminosa raggiunge circa il 75% della velocità della luce. A quella velocità, l'aberrazione relativistica della luce diventa importante. Dal punto di vista di un osservatore fermo sulla Terra, la luce diffusa in modo diffuso inizia a essere diretta in avanti, verso la direzione in cui viaggia la vela. Poiché ogni azione ha una reazione uguale e contraria, quella radiazione diretta in avanti produce una forza nella direzione opposta. Ciò significa che la diffusione diffusa (ammesso che sia la più debole delle tre forze) inizia ad agire come trascinamento quando la vela supera circa il 75% della velocità della luce. Il laser sta ancora spingendo la vela in avanti nel complesso, quindi la forza totale non diventa negativa. Tuttavia, l'efficienza del sistema di propulsione diminuisce sostanzialmente.

Le vere vele solari dovrebbero affrontare sfide ancora maggiori. Lo studio si concentra specificamente sulla dinamica radiativa; non include effetti non radiativi come collisioni e trascinamento da gas interstellare o polvere. Inoltre tralascia i limiti termici dei materiali reali delle vele. Una vela esposta a un laser estremamente potente potrebbe surriscaldarsi o addirittura fondere. Per semplicità, i ricercatori modellano la vela luminosa come uno specchio idealizzato. Le vere navicelle spaziali probabilmente userebbero materiali molto più sofisticati.

Gli ingegneri stanno già studiando metamateriali avanzati e cristalli fotonici progettati per specifiche lunghezze d'onda del laser. In linea di principio, questi materiali potrebbero persino sfruttare gli effetti di aberrazione descritti nello studio. Potrebbero aiutare una vela luminosa a correggere automaticamente il suo orientamento e stabilizzare la sua traiettoria in modo che rimanga centrata nel fascio laser.

Una vela solare interstellare completamente operativa è ancora lontana dal diventare realtà. Viaggiare attraverso distanze interstellari introduce molte complicazioni aggiuntive, inclusa la curvatura dello spaziotempo, che il documento semplifica anche. Anche così, comprendere questi effetti ad alta velocità è una parte importante per determinare come tali navicelle potrebbero eventualmente funzionare. Se l'umanità un giorno invierà una sonda verso un'altra stella, gli ingegneri avranno bisogno di una comprensione dettagliata di ogni forza che potrebbe influenzare il suo viaggio.