Al honderden jaren zijn mensen toegewijd aan het onderzoeken van de mysteries van het universum. Om interstellaire navigatie mogelijk te maken, zullen de energievereisten voor ruimtevaartuigen echter strenger zijn. Om naar sterren op tientallen lichtjaren afstand te reizen, hebben we veel brandstof nodig, maar dit zou het ruimtevaartuig te zwaar maken.
Is het, aangezien er veel obstakels zijn voor het meenemen van brandstof, mogelijk om licht te reizen en eenvoudigweg de brandstof op te geven? Er is nu een optie om een ruimteschip aan een gigantisch reflecterend zeil te bevestigen en dit met een krachtige laser te laten schijnen. Het momentum van de fotonen zal het ruimtevaartuig naar een fractie van de lichtsnelheid duwen. Rijdend op de straal kan de lichtzeilmissie Proxima Centauri (Proxima Centauri is na de zon de dichtstbijzijnde ster op aarde, op ongeveer 4,2 lichtjaar afstand van ons) binnen enkele decennia bereiken.
Wat is een licht zeil? Een licht zeil, ook wel zonnezeil of fotonenzeil genoemd, is een voortstuwingssysteem voor ruimtevaartuigen dat de lichte druk van zonlicht als voortstuwing gebruikt. Lichte zeilen maken gebruik van de lichte druk van zonlicht in plaats van de energie die wordt opgewekt door zonne-energie.
Het lichtzeil is een gigantische dunne filmlens met een dikte van slechts een tiende van mensenhaar. Het kan worden opgevat als een zeil in het tijdperk van ontdekkingen. Het lichte zeil genereert lichte druk door zonlicht te ontvangen, waardoor het ruimtevaartuig wordt gedwongen te bewegen en te versnellen. Omdat de stralingsdruk van zonlicht erg klein is, moet het lichte zeil een lang versnellingsproces ondergaan, maar het voordeel is dat het overal kan worden gebruikt waar zonlicht of ander sterrenlicht is, zodat het theoretisch lange termijn interstellaire reizen kan uitvoeren.
De problemen van het bouwen van een voldoende groot en lichtgewicht licht zeil en hoe dit vooruit te zeilen moeten echter nog steeds worden opgelost. Momenteel bevindt de lichte zeiltechnologie zich nog in de theoretische onderzoeksfase en de technische uitdagingen zijn enorm omdat zelfs de kleinste problemen over tientallen lichtjaren heen moeilijk op te lossen kunnen zijn.
Met betrekking tot de stabiliteit van laseraangedreven lichtzeilen werd in een recent artikel besproken hoe het lichtzeil op de laserstraal kan worden gebalanceerd. Terwijl een laser rechtstreeks op een ster kan worden gericht, of op de locatie van de ster decennia later, kan het lichtzeil de straal alleen volgen als deze perfect in balans is. Als het lichtzeil iets gekanteld is ten opzichte van de straal, zal het gereflecteerde laserlicht het lichtzeil een lichte zijdelingse duw geven. Hoe klein deze afwijking ook is, deze zal in de loop van de tijd toenemen, waardoor het traject van het lichte zeil voortdurend afwijkt van het doel. We kunnen een licht zeil nooit perfect uitlijnen, dus we hebben een manier nodig om kleine afwijkingen te corrigeren.
Traditionele raketten gebruiken in principe interne gyroscopen om de raket te stabiliseren en gebruiken de motor om de stuwkracht dynamisch aan te passen om het evenwicht te herstellen. Maar gyroscoopsystemen zijn te omvangrijk voor interstellaire lichte zeilen, en aanpassingen aan de straal zouden maanden of jaren duren om het lichte zeil te bereiken, waardoor snelle veranderingen onmogelijk worden. Maar de krant stelt voor om een stralingstruc te gebruiken genaamd Poynting. -Robertson-effect.
Het Poynting-Robertson-effect verwijst naar het fenomeen dat deeltjes in de interplanetaire ruimte naar de zon worden gesleept en rond de zon bewegen als gevolg van interactie met zonnestraling. Het wordt veroorzaakt door de absorptie en emissie van straling door deeltjes, daarom wordt het ook wel het effect van lichtdruk genoemd, waardoor stofdeeltjes langzaam in een spiraalvormige baan in de zon vallen. De intensiteit van dit effect is evenredig met de lineaire snelheid van stof rond de zon en met de intensiteit van de zonnestraling.
Dus hoe gebruiken we het Poynting-Robertson-effect om onze lichtzeildetector op koers te houden? Door aan te nemen dat de straal een eenvoudige monochromatische vlakke golf is (echte lasers zijn complexer), laten de auteurs zien hoe een eenvoudig systeem met twee zeilen de effecten van relatieve beweging kan gebruiken om het vaartuig in balans te houden. Wanneer het zeil enigszins uit koers raakt, wordt dit door de herstellende kracht van de balk opgeheven. Dit bewijst dat het concept haalbaar is. Maar na verloop van tijd gaan ook relativistische effecten een rol spelen. In eerder onderzoek is rekening gehouden met het Doppler-effect van relatieve beweging, maar dit onderzoek laat zien dat ook een relativistische versie van chromatische aberratie een rol speelt. Bij daadwerkelijke ontwerpen moet rekening worden gehouden met het volledige scala aan relativistische effecten, waarvoor complexe modellering en optische technieken nodig zijn. Lichte zeilen lijken dus nog steeds een mogelijke manier om sterren te bereiken. We moeten alleen oppassen dat we de technische uitdagingen niet onderschatten.
