Satojen vuosien ajan ihmiset ovat omistautuneet maailmankaikkeuden mysteerien tutkimiseen. Tähtienvälisen navigoinnin saavuttamiseksi avaruusalusten tehovaatimukset ovat kuitenkin tiukemmat. Matkustaaksemme kymmenien valovuosien päässä oleviin tähtiin tarvitsemme paljon polttoainetta, mutta tämä tekisi avaruusaluksesta liian raskaan.
Koska polttoaineen kuljettamisessa on monia esteitä, onko mahdollista matkustaa kevyesti ja yksinkertaisesti luopua polttoaineesta? Nyt on mahdollisuus kiinnittää tähtialus jättimäiseen heijastavaan purjeeseen ja loistaa se tehokkaalla laserilla. Fotonien liikemäärä työntää avaruusaluksen murto-osaan valon nopeudesta. Säteellä ratsastaen kevytpurjematka voi saavuttaa Proxima Centauriin (Proxima Centauri on auringon jälkeen maata lähinnä oleva tähti, noin 4,2 valovuoden päässä meistä) muutamassa vuosikymmenessä.
Mikä on kevyt purje? Kevyt purje, joka tunnetaan myös nimellä aurinkopurje tai fotonipurje, on avaruusaluksen propulsiojärjestelmä, joka käyttää propulsioina auringonvalon kevyttä painetta. Kevyet purjeet käyttävät auringonvalon kevyttä painetta aurinkovoiman tuottaman tehon sijaan.
Kevyt purje on jättimäinen ohutkalvolinssi, jonka paksuus on vain kymmenesosa ihmisen hiuksista. Se voidaan ymmärtää purjeeksi löytöjen aikakaudella. Kevyt purje tuottaa kevyttä painetta vastaanottamalla auringonvaloa, mikä työntää avaruusaluksen liikkumaan ja kiihtymään. Koska auringonvalon säteilypaine on hyvin pieni, kevytpurje tarvitsee pitkän kiihdytysprosessin, mutta sen etuna on, että sitä voidaan käyttää kaikkialla, missä on auringonvaloa tai muuta tähtivaloa, joten se voi teoriassa suorittaa pitkän tähtien välisen matkan.
Riittävän suuren ja kevyen kevyen purjeen rakentamisen ja eteenpäin purjehtimisen ongelmat ovat kuitenkin vielä ratkaisematta. Tällä hetkellä kevytpurjeteknologia on vielä teoreettisessa tutkimusvaiheessa, ja sen tekniset haasteet ovat valtavat, koska pienimmätkin ongelmat voivat olla vaikeasti ratkaistavissa vuosikymmenien valovuosien aikana.
Laserkäyttöisten valopurjeiden vakaudesta äskettäin julkaistussa paperissa käsiteltiin valopurjeen tasapainottamista lasersäteellä. Vaikka laser voidaan osoittaa suoraan tähteen tai tähden sijaintiin vuosikymmeniä myöhemmin, kevyt purje voi seurata sädettä vain, jos se on täysin tasapainossa. Jos kevytpurje on hieman vinossa suhteessa säteeseen, heijastuva laservalo antaa kevyelle purjeelle sivusuunnan. Riippumatta siitä, kuinka pieni tämä poikkeama on, se kasvaa ajan myötä, jolloin kevyen purjeen lentorata poikkeaa jatkuvasti kohteesta. Emme voi koskaan kohdistaa kevyttä purjetta täydellisesti, joten tarvitsemme keinon korjata pienet poikkeamat.
Perinteiset raketit käyttävät periaatteessa sisäisiä gyroskooppeja raketin vakauttamiseksi ja moottorin avulla työntövoiman dynaamiseen säätämiseen tasapainon palauttamiseksi. Mutta gyroskooppijärjestelmät ovat liian tilaa vieviä tähtienvälisiä kevyitä purjeita varten, ja säteen säätäminen kestäisi kuukausia tai vuosia päästäkseen kevyeen purjeeseen, mikä tekee nopeat muutokset mahdottomaksi. Mutta paperissa ehdotetaan Poynting-nimisen säteilytempun käyttöä. -Robertson-efekti.
Poynting-Robertson-ilmiö viittaa ilmiöön, jossa planeettojen välisessä avaruudessa olevat hiukkaset vetäytyvät aurinkoa kohti ja liikkuvat auringon ympäri vuorovaikutuksesta auringon säteilyn kanssa. Sen aiheuttaa hiukkasten säteilyn imeytyminen ja emissio, joten sitä kutsutaan myös valonpaineen vaikutukseksi, joka saa pölyhiukkaset putoamaan hitaasti aurinkoon kierrekiertoradalla. Tämän vaikutuksen voimakkuus on verrannollinen pölyn lineaariseen nopeuteen auringon ympärillä ja auringon säteilyn voimakkuuteen.
Joten miten käytämme Poynting-Robertson-ilmiötä pitääksemme kevyen purjeilmaisimen kurssilla? Olettaen, että säde on yksinkertainen monokromaattinen tasoaalto (todelliset laserit ovat monimutkaisempia), kirjoittajat osoittavat, kuinka yksinkertainen kaksipurjeinen järjestelmä voi käyttää suhteellisen liikkeen vaikutuksia veneen pitämiseen tasapainossa. Kun purje poikkeaa hieman kurssista, palkin palautusvoima kumoaa sen. Tämä osoittaa, että konsepti on toteutettavissa. Mutta ajan myötä myös relativistiset vaikutukset tulevat esiin. Aikaisemmissa tutkimuksissa on otettu huomioon suhteellisen liikkeen Doppler-ilmiö, mutta tämä tutkimus osoittaa, että myös kromaattisen aberraation relativistinen versio tulee esille. Varsinaisessa suunnittelussa on otettava huomioon kaikki relativistiset efektit, mikä vaatii monimutkaista mallinnusta ja optisia tekniikoita. Joten kevyet purjeet näyttävät edelleen olevan mahdollinen tapa saavuttaa tähtiä. Meidän on vain oltava varovaisia, ettemme aliarvioi teknisiä haasteita.
