실용적인 시간 내에 다른 별에 도달하려면 화학 로켓보다 훨씬 더 강력한 무언가가 필요할 것입니다. 주요 아이디어 중 하나는 태양 돛입니다. 빛에 의해 밀릴 수 있는 대형 반사 구조입니다. 극도로 강력한 레이저가 그러한 돛을 겨냥하면 현재 추진 시스템이 달성할 수 있는 속도를 훨씬 넘어서는 속도로 가속할 수 있습니다.

그러나 광속의 상당한 부분에서 이동하기 시작하면 예상치 못한 문제가 발생할 수 있습니다. 하얼빈 공업대학의 차오 센과 지아쩌 리가 arXiv에 발표한 새로운 논문에 따르면, 돛을 추진하는 데 사용되는 동일한 빛이 결국 항력 효과를 생성할 수 있습니다.

연구자들은 태양 돛에 부딪히는 광자가 생성하는 힘을 세 가지 범주로 분류합니다. 가장 강한 기여는 입사광(돛에 부딪히는 광자의 순수 운동량)에서 발생합니다. 다음은 정반사(광자가 돛에서 완벽하게 반사될 때 전달되는 운동량)입니다. 가장 약한 기여는 확산 산란(돛에 흡수된 후 무작위 방향으로 재방출되는 광자의 운동량)에서 발생합니다.

상대적으로 낮은 속도에서는 이러한 효과가 모두 돛을 앞으로 미는 데 기여합니다. 우주선이 상대론적 속도에 도달하면 상황은 훨씬 더 복잡해집니다. 돛이 레이저 소스에서 멀어짐에 따라 돛에 도달하는 빛은 점점 더 강한 도플러 이동을 겪습니다. 입사광의 주파수가 감소하여 세 가지 구성 요소 모두가 생성하는 추력이 줄어듭니다. 결과적으로 지속적인 가속은 점점 덜 효율적이 됩니다. 돛이 빠를수록 레이저가 속도를 계속 높이는 것이 더 어려워집니다.

광속의 약 75%에 도달하면 상황은 훨씬 더 극적으로 변합니다. 그 속도에서는 상대론적 광수차가 중요해집니다. 지구의 정지 관찰자의 관점에서 볼 때, 확산 산란된 빛은 돛이 이동하는 방향으로 앞쪽으로 향하기 시작합니다. 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 있기 때문에, 앞쪽으로 향하는 이 복사는 반대 방향으로 힘을 생성합니다. 이는 돛이 광속의 약 75%를 넘어서면 확산 산란(세 가지 힘 중 가장 약하지만)이 항력으로 작용하기 시작한다는 것을 의미합니다. 레이저는 여전히 돛을 전체적으로 앞으로 밀고 있으므로 총 힘이 음수가 되지는 않습니다. 그러나 추진 시스템의 효율은 상당히 떨어집니다.

실제 태양 돛은 훨씬 더 많은 도전에 직면할 것입니다. 이 연구는 특히 복사 역학에 초점을 맞추고 있습니다. 성간 가스나 먼지와의 충돌 및 항력과 같은 비복사 효과는 포함하지 않습니다. 또한 실제 돛 재료의 열적 한계도 제외합니다. 극도로 강력한 레이저에 노출된 돛은 과열되거나 녹을 수도 있습니다. 단순화를 위해 연구자들은 광선 돛을 이상적인 거울로 모델링합니다. 실제 우주선은 훨씬 더 정교한 재료를 사용할 가능성이 높습니다.

엔지니어들은 이미 특정 레이저 파장을 위해 설계된 고급 메타물질과 광자 결정을 조사하고 있습니다. 원칙적으로 이러한 재료는 연구에서 설명된 수차 효과를 활용할 수도 있습니다. 광선 돛이 방향을 자동으로 수정하고 레이저 빔 내에서 중심을 유지하도록 궤도를 안정화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

완전히 작동하는 성간 태양 돛은 아직 현실이 되기에는 멀었습니다. 성간 거리를 횡단하면 시공간의 곡률을 포함한 많은 추가적인 복잡성이 도입되며, 이 논문에서도 단순화했습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 고속 효과를 이해하는 것은 그러한 우주선이 결국 어떻게 작동할 수 있는지 결정하는 중요한 부분입니다. 인류가 언젠가 다른 별에 탐사선을 보낸다면, 엔지니어들은 그 여정에 영향을 줄 수 있는 모든 힘에 대한 상세한 이해가 필요할 것입니다.