Het bereiken van een andere ster binnen een praktisch tijdsbestek vereist iets veel krachtigers dan chemische raketten. Een van de toonaangevende ideeën is een zonnezeil - een grote reflecterende structuur die door licht kan worden voortgestuwd. Als extreem krachtige lasers op zo'n zeil worden gericht, zouden ze het kunnen versnellen tot snelheden die ver boven wat huidige voortstuwingssystemen kunnen bereiken liggen.

Maar er zou een onverwacht probleem kunnen ontstaan zodra een lichtzeil met een aanzienlijke fractie van de lichtsnelheid begint te reizen. Volgens een nieuw artikel op arXiv van Chao Shen en Jiaze Li van het Harbin Institute of Technology zou hetzelfde licht dat wordt gebruikt om het zeil voort te stuwen uiteindelijk een remmend effect kunnen produceren.

De onderzoekers verdelen de krachten die worden geproduceerd door fotonen die een zonnezeil raken in drie categorieën. De sterkste bijdrage komt van invallend licht (dat ruwe momentum van de fotonen die het zeil raken). Daarna volgt spiegelende reflectie (momentum dat wordt overgedragen wanneer fotonen perfect van het zeil weerkaatsen). De zwakste bijdrage komt van diffuse verstrooiing (momentum van fotonen die door het zeil worden geabsorbeerd en vervolgens in willekeurige richtingen worden uitgezonden).

Bij relatief lage snelheden dragen al deze effecten bij aan het voortstuwen van het zeil. De situatie wordt veel gecompliceerder zodra het ruimtevaartuig relativistische snelheden bereikt. Terwijl het zeil wegracet van de laserbron, ondergaat het licht dat het bereikt een steeds sterkere Doppler-verschuiving. De frequentie van het invallende licht neemt af, waardoor de stuwkracht die door alle drie de componenten wordt geproduceerd, vermindert. Als gevolg hiervan wordt voortdurende versnelling steeds minder efficiënt. Hoe sneller het zeil reist, hoe moeilijker het wordt voor de laser om de snelheid ervan te blijven verhogen.

De situatie verandert nog dramatischer zodra het lichtzeil ongeveer 75% van de lichtsnelheid bereikt. Bij die snelheid wordt relativistische lichtaberratie belangrijk. Vanuit het gezichtspunt van een stilstaande waarnemer op aarde begint diffuus verstrooid licht naar voren te worden gericht, in de richting waarin het zeil reist. Omdat elke actie een gelijke en tegengestelde reactie heeft, produceert die naar voren gerichte straling een kracht in de tegenovergestelde richting. Dit betekent dat diffuse verstrooiing (toegegeven, de zwakste van de drie krachten) als rem begint te werken zodra het zeil ongeveer 75% van de lichtsnelheid passeert. De laser duwt het zeil nog steeds over het algemeen naar voren, dus de totale kracht wordt niet negatief. De efficiëntie van het voortstuwingssysteem neemt echter aanzienlijk af.

Echte zonnezeilen zouden met nog meer uitdagingen te maken krijgen. De studie is specifiek gericht op stralingsdynamica; het omvat geen niet-stralingseffecten zoals botsingen en weerstand van interstellair gas of stof. Het laat ook de thermische limieten van echte zeilmaterialen buiten beschouwing. Een zeil dat wordt blootgesteld aan een extreem krachtige laser zou mogelijk oververhit kunnen raken of zelfs smelten. Voor de eenvoud modelleren de onderzoekers het lichtzeil als een geïdealiseerde spiegel. Echte ruimtevaartuigen zouden waarschijnlijk veel geavanceerdere materialen gebruiken.

Ingenieurs onderzoeken al geavanceerde metamaterialen en fotonische kristallen die zijn ontworpen voor specifieke lasergolflengten. In principe zouden deze materialen zelfs kunnen profiteren van de aberratie-effecten die in de studie worden beschreven. Ze zouden een lichtzeil kunnen helpen om automatisch zijn oriëntatie te corrigeren en zijn traject te stabiliseren, zodat het gecentreerd blijft binnen de laserstraal.

Een volledig operationeel interstellair zonnezeil is nog verre van realiteit. Het reizen over interstellaire afstanden brengt veel extra complicaties met zich mee, waaronder de kromming van de ruimtetijd, die het artikel ook vereenvoudigt. Toch is het begrijpen van deze hogesnelheidseffecten een belangrijk onderdeel van het bepalen hoe dergelijke ruimtevaartuigen uiteindelijk zouden kunnen werken. Als de mensheid ooit een sonde naar een andere ster stuurt, zullen ingenieurs een gedetailleerd begrip nodig hebben van elke kracht die de reis zou kunnen beïnvloeden.