O sonho de voar até estrelas vizinhas em velas solares esbarrou nas duras leis da física.

A ideia mais viável para viajar a outras estrelas continua sendo uma vela solar que, juntamente com uma pequena sonda, poderia ser acelerada a uma fração significativa da velocidade da luz usando lasers. Tais projetos estão sendo considerados e até mesmo implementados nos estágios iniciais de validação do conceito. Mas as coisas não são tão simples, descobriram cientistas chineses. Em velocidades relativísticas, a física da luz dificultará seriamente o processo de aceleração.

Fonte da imagem: NASA / Grover Swartzlander

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Harbin desvendaram as nuances da física da luz em velocidades próximas à da luz para uma vela solar. No entanto, mesmo o trabalho deles considera um modelo amplamente idealizado, sem levar em conta muitos fatores, como a curvatura do espaço-tempo e a presença de poeira cósmica no espaço interestelar. Apesar disso, os cientistas, usando cálculos específicos, mostraram que a propulsão por vela solar requer um desenvolvimento tecnológico mais aprofundado.

Os cientistas alertam que, à medida que a vela acelera, a eficiência da transferência de momento da luz (fótons) para a vela diminui. A luz afeta a vela de três maneiras: transferência direta de momento dos fótons, reflexão de fótons e espalhamento difuso, quando os fótons são absorvidos pelo material da vela e reemitidos em uma direção aleatória. A transferência direta de momento dos fótons tem o maior efeito sobre a vela. A reflexão contribui menos, e o espalhamento difuso contribui ainda menos. Além disso, a luz difusa atinge uma velocidade crítica, após a qual sua contribuição se torna uma força de frenagem em vez de uma força de propulsão.

Finalmente, todos os três efeitos que geram propulsão devido à luz enfraquecem à medida que a vela acelera, devido ao efeito Doppler. Para uma vela em velocidades próximas à da luz, a luz que a impulsiona desloca-se para a região vermelha do espectro, o que significa uma diminuição na frequência da radiação e um enfraquecimento dos mecanismos propulsivos. Ao atingir 75% da velocidade da luz, a dispersão difusa torna-se um fator de frenagem, pois a dispersão começa a ocorrer predominantemente na direção do voo. Em outras palavras,É possível obter aceleração efetiva no estágio inicial do voo, mas, em seguida, a eficiência dos lasers que impulsionam a vela e a sonda começa a diminuir rapidamente, um fato que ainda não foi totalmente considerado em projetos semelhantes.

Os cientistas concluem que as futuras velas solares devem ser projetadas não como simples películas espelhadas, mas como estruturas fotônicas complexas — baseadas em metamateriais ou cristais fotônicos sintonizados em comprimentos de onda e modos de propulsão específicos.