Alcançar outra estrela em um prazo prático exigirá algo muito mais capaz do que foguetes químicos. Uma das ideias líderes é a vela solar - uma grande estrutura refletiva que pode ser empurrada pela luz. Se lasers extremamente poderosos forem apontados para tal vela, eles poderiam acelerá-la a velocidades muito além do que os sistemas de propulsão atuais podem alcançar.

Mas pode haver um problema inesperado quando uma vela de luz começa a viajar a uma fração significativa da velocidade da luz. De acordo com um novo artigo no arXiv por Chao Shen e Jiaze Li do Instituto de Tecnologia de Harbin, a mesma luz usada para impulsionar a vela poderia eventualmente produzir um efeito de arrasto.

Os pesquisadores separam as forças produzidas por fótons que atingem uma vela solar em três categorias. A contribuição mais forte vem da luz incidente (esse momento bruto dos fótons atingindo a vela). Em seguida está a reflexão especular (momento transmitido quando os fótons quicam perfeitamente na vela). A contribuição mais fraca vem do espalhamento difuso (momento dos fótons que são absorvidos pela vela e depois reemitidos em direções aleatórias).

Em velocidades relativamente baixas, esses efeitos contribuem para empurrar a vela para frente. A situação se torna muito mais complicada quando a espaçonave atinge velocidades relativísticas. Conforme a vela se afasta da fonte de laser, a luz que a atinge sofre um desvio Doppler cada vez mais forte. A frequência da luz incidente diminui, reduzindo a quantidade de empuxo produzido por todos os três componentes. Como resultado, a aceleração contínua se torna progressivamente menos eficiente. Quanto mais rápido a vela viaja, mais difícil se torna para o laser continuar aumentando sua velocidade.

A situação muda ainda mais drasticamente quando a vela de luz atinge cerca de 75% da velocidade da luz. Nessa velocidade, a aberração relativística da luz se torna importante. Do ponto de vista de um observador estacionário na Terra, a luz espalhada difusamente começa a ser direcionada para frente, na direção em que a vela está viajando. Como cada ação tem uma reação igual e oposta, essa radiação direcionada para frente produz uma força na direção oposta. Isso significa que o espalhamento difuso (reconhecidamente a mais fraca das três forças) começa a atuar como arrasto quando a vela passa de aproximadamente 75% da velocidade da luz. O laser ainda está empurrando a vela para frente no geral, então a força total não se torna negativa. No entanto, a eficiência do sistema de propulsão cai substancialmente.

Velas solares reais enfrentariam ainda mais desafios. O estudo é focado especificamente na dinâmica radiativa; não inclui efeitos não radiativos, como colisões e arrasto de gás ou poeira interestelar. Também deixa de fora os limites térmicos de materiais reais de vela. Uma vela exposta a um laser extremamente poderoso poderia potencialmente superaquecer ou até derreter. Por simplicidade, os pesquisadores modelam a vela de luz como um espelho idealizado. Espaçonaves reais provavelmente usariam materiais muito mais sofisticados.

Engenheiros já estão investigando metamateriais avançados e cristais fotônicos projetados para comprimentos de onda específicos de laser. Em princípio, esses materiais podem até tirar vantagem dos efeitos de aberração descritos no estudo. Eles poderiam ajudar uma vela de luz a corrigir automaticamente sua orientação e estabilizar sua trajetória para que permaneça centrada dentro do feixe de laser.

Uma vela solar interestelar totalmente operacional ainda está longe de se tornar realidade. Viajar por distâncias interestelares introduz muitas complicações adicionais, incluindo a curvatura do espaço-tempo, que o artigo também simplifica. Mesmo assim, entender esses efeitos de alta velocidade é uma parte importante para determinar como tais espaçonaves podem eventualmente funcionar. Se a humanidade um dia enviar uma sonda a outra estrela, os engenheiros precisarão de um entendimento detalhado de cada força que possa afetar sua jornada.