Мечта о полёте к соседним звёздам на световых парусах столкнулась с суровой физикой

Наиболее жизнеспособной идеей полёта к другим звёздам остаётся световой парус, который вместе с небольшим зондом можно с помощью лазеров разогнать до значительной доли скорости света. Такие проекты рассматриваются и даже реализуются на самых ранних этапах подтверждения концепции. Но всё не так просто, выяснили китайские учёные. На релятивистских скоростях физика света будет серьёзно мешать процессу разгона.

Нюансы физики света на околосветовых скоростях для светового паруса вскрыли учёные из Харбинского технологического института (Harbin Institute of Technology). Однако даже их работа рассматривает во многом идеализированную модель без учёта множества факторов, например искривления пространства-времени и наличия космической пыли в межзвёздном пространстве. Тем не менее учёные на конкретных расчётах показали, что движение под световым парусом требует более глубокой проработки технологии.

Учёные предупреждают, что по мере разгона паруса падает эффективность передачи импульса от света (фотонов) парусу. Свет воздействует на парус тремя способами: прямой передачей импульса фотонов, отражением фотонов и диффузным рассеянием, когда фотоны поглощаются материалом паруса, а затем переизлучаются в произвольном направлении. Прямой импульс фотонов оказывает на парус наибольшее воздействие. Вклад отражения меньше, а ещё меньший вклад вносит диффузное рассеяние. Более того, для рассеянного света существует критическая скорость, после которой его вклад превращается уже не в тягу, а в тормозящую силу.

Наконец, все три эффекта, создающие тягу за счёт света, ослабевают по мере разгона паруса, что происходит вследствие эффекта Доплера. Для паруса на околосветовых скоростях толкающий его свет смещается в красную область спектра, что означает снижение частоты излучения и ослабление механизмов тяги. При достижении отметки в 75 % скорости света диффузное рассеяние становится тормозящим фактором, поскольку рассеяние преимущественно начинает происходить по направлению полёта. Иными словами, эффективный разгон возможен на начальной стадии полёта, но затем КПД лазеров, толкающих парус и зонд, начинает быстро падать, что до сих пор не учитывалось в полной мере при рассмотрении подобных проектов.

Учёные делают вывод, что будущие световые паруса должны проектироваться не как простые зеркальные плёнки, а как сложные фотонные структуры — на основе метаматериалов или фотонных кристаллов, настроенных под определённые длины волн и режимы движения.