Lightsail:Πώς μια νέα τεχνολογία πρόωσης θα σας στείλει στον Άρη σε 3 ημέρες

Το Lightsail είναι μια νέα τεχνολογία πρόωσης που χρησιμοποιεί την αδιάκοπη βροχή φωτονίων από τον ήλιο για να ωθηθεί στο κενό του διαστήματος. Αυτή η εξαιρετικά αποτελεσματική και καινοτόμος μέθοδος πρόωσης ονομάζεται φωτονική πρόωση.

Το σύμπαν είναι ένα απέραντο μέρος και υπάρχει ένα ασύλληπτο ποσό για εξερεύνηση. Ωστόσο, οι πλωτές κατοικίες στο σύμπαν είναι αστρονομικά μακριά η μία από την άλλη. Πρόσφατα, το Voyager 1 πέτυχε κάτι εκπληκτικό — ξέφυγε από το ηλιακό μας σύστημα και τώρα θεωρείται ότι είναι το ανθρωπογενές αντικείμενο που το έκανε το πιο απομακρυσμένο από τη Γη… I δεν άφησα τη γη το 1977!

Το πρόβλημα φαίνεται αρκετά προφανές - τα χημικά συστήματα πρόωσης ή τα συμβατικά καύσιμα πυραύλων είναι τραγικά αδύναμα ή χρονοβόρα όταν η πρόθεση είναι να εξερευνηθούν άλλα ουράνια συστήματα. Οι ταχύτητες που παράγονται από αυτές τις παραδοσιακές πηγές καυσίμου είναι ελάχιστες για τόσο μακρινά βήματα.

Υποθετικά, αν ένας ανιχνευτής που πέφτει έβλεπε έναν νέο πλανήτη –πιθανώς κατοικήσιμο– όταν διέσχιζε τα όρια του ηλιακού συστήματος στην πορεία του προς το τίποτα, φυσικά, μπερδεμένοι αστρονόμοι θα προσπαθούσαν να τον μελετήσουν στέλνοντας έναν ειδικό ανιχνευτή. Ωστόσο, αυτό το διαστημικό σκάφος θα χρειαζόταν περίπου 40 χρόνια, που είναι περισσότερο από το μισό μέσο όρο ανθρώπινης ζωής, για να φτάσει στον προορισμό του και να έχει αποτελέσματα. Ένας περίεργος 50χρονος αστρονόμος μπορεί να χάσει την πιο σημαντική ανακάλυψη σε ολόκληρη την ιστορία της ανθρωπότητας.

Χρειαζόμαστε κάτι νέο. Εκεί που ένα διαστημόπλοιο χρειάζεται περίπου 300 ημέρες για να φτάσει στον Άρη, μια νέα τεχνολογία ισχυρίζεται ότι μπορεί να κάνει το ταξίδι σε 3 ημέρες! Αντί να καίει έντονα καύσιμο, αυτή η τεχνολογία επιλέγει να χρησιμοποιεί την αδιάκοπη βροχή φωτονίων από τον πάντα παρόντα ήλιο για να ωθηθεί στο κενό του διαστήματος. Αυτή η εξαιρετικά αποτελεσματική και καινοτόμος μέθοδος πρόωσης ονομάζεται φωτονική πρόωση. Ωστόσο, πριν μπούμε στις λεπτομέρειες, υπάρχει μια βασική ερώτηση που κάνουν σχεδόν όλοι σχετικά με αυτήν την τεχνολογία…

Πώς το φως προσδίδει δύναμη σε έναν καθετήρα όταν δεν έχει μάζα;

Τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός. Αυτό το όριο στην ταχύτητα κάθε αντικειμένου επιβάλλεται από τη μάζα του. Τα φωτόνια είναι οι οντότητες που ταξιδεύουν πιο γρήγορα στο σύμπαν γιατί, λοιπόν, δεν έχουν μάζα. Ωστόσο, το φως εξακολουθεί να έχει αρκετή ορμή. Το φως που πέφτει από τον ήλιο στο δέρμα μας διαταράσσει τα άτομα του μεταδίδοντας θερμότητα και ορμή, αλλά οι αλλαγές είναι τόσο μικρές που είναι ανεπαίσθητες.

Τα αποτελέσματα είναι αμελητέα επειδή τα σωματίδια είναι διάσπαρτα — προσβάλλουν το δέρμα σας με ένα τυχαίο, αποκλίνον μοτίβο. Συγκρίνετε το με τη συνοπτική, διεισδυτική φύση ενός λέιζερ. Αυτή η ευκρίνεια είναι το αποτέλεσμα μιας συστάδας δισεκατομμυρίων δισεκατομμυρίων φωτονίων στριμωγμένων σφιχτά μεταξύ τους, συγκλίνοντας ή συγκεντρώνοντας την ενέργεια και την ορμή τους σε ένα μόνο σημείο. Η έκθεση σε ακτινοβολία όπως αυτή ασκεί πίεση στους αποδέκτες της, γνωστή ως πίεση ακτινοβολίας.

Έτσι, όχι μόνο το εκτυφλωτικό φως που εκπέμπεται από τον ήλιο διαθέτει ενέργεια και ορμή, αλλά μπορεί επίσης να το μεταφέρει και να μετατοπίσει άλλα αντικείμενα με την πίεση, στην θήκη, ένα ολόκληρο διαστημόπλοιο!

Ηλιακό Sail

Τα ηλιακά πανιά αποτελούνται από εξαιρετικά ανακλαστικά, εξαιρετικά ελαφριά και εξαιρετικά λεπτά υλικά που ουσιαστικά σχηματίζουν έναν τεράστιο καθρέφτη. Τα φύλλα κατασκευάζονται γενικά χρησιμοποιώντας αλουμίνιο ή άλλο κατάλληλο πλαστικό ως προϊόν έναρξης. Στην έλλειψη βαρύτητας του χώρου, η πίεση ακτινοβολίας μεταφράζεται σε δύναμη, η οποία μπορεί να αυξηθεί αυξάνοντας την επιφάνεια ενός πανιού. Αυτός είναι ο λόγος που τα ηλιακά πανιά είναι πολύ μεγάλα σε μέγεθος, συνήθως χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα.

Πώς λειτουργούν;

Η λειτουργία τους είναι ακριβώς αυτό που υποδηλώνει το όνομά τους. Η φωτονική πρόωση μοιάζει πολύ με το πώς ένα σκάφος πλέει προς τα κάτω (προς την κατεύθυνση των θυελλωδών ανέμων) σε έναν ωκεανό. Τα σκάφη χρησιμοποιούν ένα πανί που «πιάνει αέρα» για να ωθήσει προς τα εμπρός. Ομοίως, τα συστήματα φωτονικής πρόωσης απαιτούν ένα ηλιακό πανί για να «πιάσει φως».

(Φωτογραφία:Pixabay &NASA)

Τα εισερχόμενα πληθωρικά φωτόνια ασκούν δύναμη στα σωματίδια του πανιού. Τα σωματίδια, υπακούοντας υπάκουα στον 3ο νόμο της κίνησης του Νεύτωνα, ασκούν μια ίση και αντίθετη δύναμη πίσω. Αυτό είναι ανάλογο με μια λευκή μπάλα που χτυπά μια μπάλα 8 σε ένα παιχνίδι μπιλιάρδου, έτσι ώστε και οι δύο να ταξιδεύουν σε διαφορετικές κατευθύνσεις μετά τη μετωπική σύγκρουση. Αυτός είναι επίσης ο λόγος που τα ηλιακά πανιά αποτελούνται από υλικά υψηλής ανακλαστικότητας — για να διασφαλιστεί ότι δεν απορροφάται ούτε ένα στίγμα φωτονίου που προσπίπτει στο πανί.

Οι αστρονόμοι σχεδιάζουν επίσης να χρησιμοποιήσουν πηγές λέιζερ υψηλής ενέργειας για να βεβαιωθούν ότι οι ανιχνευτές δεν επιβραδύνουν καθώς το φως του ήλιου εξασθενεί με την απόσταση ή κινείται πίσω από έναν ανθεκτικό αστεροειδή. Η πηγή λέιζερ μπορεί να αιωρείται στον αέρα ακριβώς πάνω από τη Γη ή ακόμα και στην τροχιά ενός μακρινού πλανήτη, στρέφοντας τον πυρσό της απευθείας στην επιφάνεια αποκήρυξης του πανιού.

Ωστόσο, ένας περιορισμός είναι η πηγή ενέργειας για αυτήν την ίδια την πηγή. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η ενέργεια που απαιτείται μπορεί να είναι ισοδύναμη με την ισχύ που χρησιμοποιεί ολόκληρος ο κόσμος σήμερα! Επιπλέον, το πανί θα έπρεπε να έχει το μέγεθος του Τέξας!

(Φωτογραφία:Photon999 / Wikimedia Commons)

Γιατί θα χρειαστούμε μόνο 3 ημέρες για να φτάσουμε στον Άρη;

Με αρκετό χρόνο, ένα διαστημόπλοιο εξοπλισμένο με ηλιακό πανί θα επιταχύνει τελικά σε πολύ υψηλότερες ταχύτητες σε σύγκριση με τους πυραύλους που προωθούνται με συμβατικές τεχνικές. Οι ταχύτητες έχουν υπολογιστεί ότι αγγίζουν το 30% της ταχύτητας του φωτός. Για να το θέσουμε σε προοπτική, το Voyager 1 ταξίδεψε με 0,0007% αυτού του καθολικού ορίου ταχύτητας! Αυτό είναι πραγματικά ένα απίστευτο άλμα.

Σε τόσο τεράστιες ταχύτητες, θα μπορούσε κανείς να αμφισβητήσει τον χειρισμό του διαστημικού σκάφους. Το κλειδί για την οδήγηση ενός σκάφους είναι η δημιουργία μιας ασύμμετρης ώθησης και οι επιστήμονες έχουν βρει μια παρόμοια έξυπνη λύση για να αντιμετωπίσουν αυτό το αινιγματικό εμπόδιο. Τα πανιά μπορούν να τροφοδοτούνται από μια τάση που, όταν εφαρμόζεται σε συγκεκριμένες περιοχές, θα σκοτώσει την ανακλαστικότητά τους με το να τα σκουρύνει. Σε εκείνο το σημείο, αντί να αντανακλούν το φως, αυτές οι περιοχές θα το απορροφούσαν.

Αυτό θα έδινε την εντύπωση ότι γέρνετε ένα πανί για να γυρίσετε την πορεία του σκάφους. Τα ηλιακά πανιά μπορούν επίσης να γέρνουν κυριολεκτικά για να κατευθύνουν έναν καθετήρα, αλλά αυτό θα απαιτούσε ορισμένα πρόσθετα μηχανικά εξαρτήματα που μιμούνται τους ιστούς σκαφών.

Διαστημικοί χαρταετοί

Η έννοια της φωτονικής πρόωσης δεν είναι κάτι καινούργιο. Η ιδέα είχε ήδη συλληφθεί στη δεκαετία του 1920 από μερικούς Ρώσους επιστήμονες πυραύλων. Ωστόσο, τα εξαιρετικά λεπτά και ελαφριά πανιά δεν μπορούσαν να ενσωματωθούν με τον βαρύ εξοπλισμό που υποτίθεται ότι έφεραν τα διαστημόπλοια σε ένα ταξίδι εξερεύνησης/μελέτης εκτός του πλανήτη μας. Η δύναμη της πρόωσης που κινεί έναν καθετήρα σε όλη την πορεία του είναι μια γραμμική συνάρτηση της μάζας του — οι βαρύτερες μάζες είναι πιο δύσκολο να μετατοπιστούν. Με απλά λόγια, τα ελαφρύτερα αντικείμενα θα ταξιδεύουν πιο γρήγορα.

Αλλά η έλευση των τεχνολογιών ημιαγωγών και η σμίκρυνση των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων τεκμηρίωσαν τελικά αυτή την ιδέα. Λόγω της ηλεκτρονικής επανάστασης, ένας ανιχνευτής που τροφοδοτείται αποκλειστικά από φωτόνια θα μπορούσε να φέρει με επιτυχία αρκετό εξοπλισμό μαζί του για να τραβήξει φωτογραφίες, να μελετήσει χημικές συνθέσεις και να λάβει πληροφορίες για την κινηματική ενός ουράνιου σώματος.

Το μειωμένο μέγεθος των εξαρτημάτων κάνει επίσης το μέγεθος των ηλιακών πανιών πιο λογικό και όχι συνήθως τεράστιο. Με τεντωμένα πανιά και ένα ανεπαίσθητο κουτί στη μέση, από απόσταση, οι ανιχνευτές ενδέχεται να δίνουν την εντύπωση λαμπερών διαστημικών χαρταετών.

(Φωτογραφία:Steevven1 / Wikimedia Commons)

Τον Μάιο του 2010, μια ιαπωνική διαστημική υπηρεσία παρουσίασε τη σκοπιμότητα των ηλιακών πανιών και της φωτονικής πρόωσης για εξωγήινα εγχειρήματα. Ένα δοκιμαστικό σκάφος έκανε μια βόλτα με τον ανιχνευτή Venus Akatsuki. Το σκάφος ονομάστηκε Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun (IKAROS) και απελευθερώθηκε στο διάστημα από τον ανιχνευτή όταν ήταν 4,3 εκατομμύρια μίλια μακριά από τη Γη. Έξι μήνες αργότερα, έγραψε ιστορία όταν πέταξε με επιτυχία δίπλα στην Αφροδίτη. Δεν ήταν τίποτα λιγότερο από ένα μνημειώδες κατόρθωμα.

Οι επιστήμονες σχεδιάζουν τώρα να χρησιμοποιήσουν αυτόν τον τρόπο πρόωσης για να ξεκινήσουν ακόμη πιο θαρραλέα ταξίδια, όπως αποστολές στο Alpha Centurai, το πλησιέστερο αστρικό σύστημα στο ηλιακό μας σύστημα, χωρίς την ταλαιπωρία της καύσης καυσίμου. Επίσης, σε αντίθεση με τη σταδιακή και κουραστική ανάβαση των παραδοσιακών διαστημικών ταξιδιών, αυτά τα διαστημικά σκάφη θα κινούνται με σχεδόν το ένα τρίτο της ταχύτητας του φωτός.

Δεδομένου ότι το πανί δεν χρησιμοποιεί καύσιμο, μπορούμε να συνεχίσουμε να ωθούμε όσο λάμπει ο ήλιος!