Żagiel świetlny – przyszłość napędu kosmicznego

Technologia lekkich żagli świetlnych to fascynująca koncepcja i krok naprzód w dziedzinie napędów kosmicznych. Być może nie są one wielkie i imponujące jak napędy rakiety Saturn V, promów kosmicznych czy nowej rakiety Starship, ale jeśli chodzi o podróże międzygwiezdne, żagiel świetlny mogą być odpowiedzią.

Koncepcja żagli świetlnych jest dość prosta. Zamiast żagla z tkaniny przymocowanego do statku, który wykorzystuje siłę wiatru, żagle świetlne wykorzystują siłę światła do napędzania statków kosmicznych w przestrzeni międzygwiazdowej. Działają one poprzez ciśnienie fotonów emitowanych przez potężne źródło światła, takie jak laser, w celu wygenerowania niskiego poziomu ciągu.

Pomysł polega na tym, że fotony światła przenoszą pęd i wywierają siłę, gdy odbijają się od powierzchni. Dzięki zastosowaniu dużych, bardzo cienkich żagli wykonanych z odblaskowego materiału, takiego jak Mylar (przezroczysta, giętka folia poliestrowa na bazie politereftalanu) – tej samej odmiany, która jest powszechnie używana w astronomii amatorskiej do obserwacji Słońca – statek kosmiczny może być pchany, powoli przyspieszając, ostatecznie osiągając zdumiewające prędkości.

Podczas gdy lekki żagiel świetlny może nie przenieść statku kosmicznego z ziemi na orbitę, po rozmieszczeniu w przestrzeni kosmicznej, długie powolne przyspieszanie jest bardzo skutecznym sposobem podróżowania w kosmosie. Nie jest to tylko science fiction, projekt Starshot Breakthrough stał się liderem w dziedzinie opracowania statku kosmicznego, który mógłby wysłać ludzi do Proxima Centauri oddalonej o 4,3 lata świetlne, w ciągu ludzkiego życia.

Artykuł opublikowany w serwisie arXiv opisuje prace zespołu naukowego, kierowanego przez Jina Changa, który bada możliwości nowego materiału na żagle świetlne, znanego jako nano wyprodukowane kryształy fotoniczne. Są to nanostruktury optyczne (w skali od mikroskopijnej do molekularnej), w których współczynnik załamania światła zmienia się okresowo. Występują one w naturze w królestwie zwierząt, na przykład w odblaskowej naturze oczu kotów i psów.

Zespół pokazuje, w jaki sposób kryształ fotoniczny azotku krzemu z cienką membraną krzemową może osiągnąć wysoki poziom współczynnika odbicia w zakresie długości fal od 1300 nm do 1500 nm, wymagany dla żagli świetlnych. Potencjał tego materiału jest ogromny, ponieważ techniki produkcyjne mogą być skalowane do kilku metrów by stworzyć żagiel odpowiedniej wielkości. Dzięki temu odkryciu człowiek będzie mógł znacznie szybciej odkrywać i badać Wszechświat.

Emil Gołoś