No caminho para as viagens interestelares, os humanos estão a tentar transcender as limitações dos foguetes químicos tradicionais e esperam usar a própria luz como energia. Sendo uma tecnologia com grande potencial, as velas solares interceptam o momento dos fótons através de enormes superfícies refletoras para obter propulsão. Numa visão mais radical da navegação interestelar, os cientistas planeiam usar raios laser de alta potência para acelerar a vela solar e atingir velocidades surpreendentes que são difíceis de alcançar com naves espaciais tradicionais.
No entanto, um novo estudo publicado recentemente na plataforma de pré-impressão arXiv aponta que esta visão enfrenta um desafio físico inesperado: quando a nave espacial voa a uma velocidade próxima da velocidade da luz, a luz que originalmente lhe deu energia pode transformar-se numa resistência de “arrasto inverso”.
Os pesquisadores Shen Chao (transliteração) e Li Jiaze (transliteração) do Harbin Institute of Technology analisaram detalhadamente no artigo três mecanismos de interação entre fótons e velas solares: transferência de momento causada pela luz incidente direta, força motriz causada pela reflexão especular da luz na superfície reflexiva e dispersão difusa causada por fótons sendo absorvidos e re-irradiados em direções aleatórias. Em condições normais de navegação, todos esses efeitos físicos ajudam a impulsionar o veleiro para frente. No entanto, à medida que a nave entra na faixa de velocidade relativística, regras físicas especiais próximas à velocidade da luz devem ser levadas em consideração.
O estudo descobriu que à medida que a vela solar acelera para longe da fonte do laser, a frequência da luz muda para o vermelho devido ao efeito Doppler, o que significa que o impulso fornecido por cada fotão diminui. Mais importante ainda, quando a velocidade da vela solar atingir 75% da velocidade da luz, o fenômeno da aberração relativística da luz terá um impacto significativo. Da perspectiva de um observador geoestacionário, os fótons difusamente dispersos experimentam uma mudança para frente em sua direção de movimento. De acordo com as leis físicas de ação e reação, esse efeito de espalhamento difuso evoluirá, na verdade, para uma força de resistência que atuará no sistema quando a aeronave navegar em alta velocidade.
Embora pesquisas apontem que a propulsão total fornecida pelo laser ainda é maior que a resistência neste momento, para que a aceleração ainda possa ser realizada, a eficiência de propulsão da vela leve será significativamente atenuada. Deve-se salientar que este estudo se concentrou principalmente no campo da dinâmica da radiação e não considerou a resistência adicional trazida pelo gás ou poeira interestelar, nem envolveu as limitações térmicas ou riscos de fusão que os materiais da superfície da vela podem enfrentar sob irradiação laser de alta potência.
Atualmente, os engenheiros aeroespaciais estão explorando ativamente o uso de metamateriais avançados e cristais fotônicos para otimizar o projeto de velas solares. Teoricamente, esses materiais especiais podem ser capazes de “usar” o efeito de aberração óptica mencionado no estudo para obter correção ativa e estabilização da trajetória de vôo, garantindo que a espaçonave esteja sempre no centro do feixe de laser.
A humanidade ainda tem um longo caminho de engenharia pela frente antes de construir um sistema de vela solar capaz de navegação interestelar. Atualmente, este modelo teórico simplifica fatores complexos como a curvatura do espaço-tempo. Mas, como dizem os investigadores, uma compreensão profunda da mecânica de voo em tais sistemas é um passo crucial, porque quando os humanos decidirem finalmente enviar sondas para outras estrelas, qualquer compreensão precisa dos detalhes da física e da engenharia será uma base sólida para o sucesso da missão.