O inovație în domeniul fotonicii realizată la Universitatea Texas A&M demonstrează cum propulsia cu lumină ne-ar putea permite o călătorie spre Alpha Centauri în decursul unei singure generații.
Spațiul este absolut imens, iar durata de viață a omului este, din păcate, destul de scurtă. Dacă vrem să explorăm vreodată alte sisteme solare în afară de al nostru, va trebui să ne îmbunătățim considerabil performanțele de zbor. Iar miza acestei descoperiri tehnologice despre care vom discuta în cele ce urmează este uriașă: transformă explorarea interstelară dintr-un concept teoretic de domeniul SF-ului într-un obiectiv fizic fezabil.
Cât durează o călătorie spre Alpha Centauri cu tehnologia actuală?
Gândiți-vă la asta: călătorind cu viteza sondei Voyager – care, deși nu este cea mai rapidă navă spațială a noastră de până acum, ne oferă un punct bun de reper – ne-ar lua peste 73.000 de ani să ajungem la Alpha Centauri, cel mai apropiat sistem stelar de Pământ. Este o sarcină de-a dreptul descurajantă pentru orice astronaut. Fără un sistem de stază gata de utilizare sau un plan infailibil pentru gestionarea unei nave generaționale timp de zeci de mii de ani – ca să nu mai vorbim de cantitatea colosală de combustibil necesară – vom avea categoric nevoie de opțiuni mult mai rapide.
Din fericire, cercetătorii de la Departamentul de Inginerie Mecanică al Universității Texas A&M vin cu o soluție fascinantă. Aceștia au demonstrat o descoperire revoluționară în domeniul mișcării propulsate de lumină, un concept teoretic care ne-ar putea duce la Alpha Centauri în doar câteva decenii, în loc de milenii.
O idee propusă de zeci de ani pentru a rezolva această problemă este utilizarea luminii pentru a propulsa nave spațiale ultra-ușoare pe distanțe lungi. Principiul de bază este valorificarea impulsului fotonilor – fie că sunt emiși direct de Soare, fie de lasere puternice construite de om – pentru a accelera o navă spațială și a o plasa pe traiectoria corectă. Evident, fizica din spate este mult mai complexă de atât. Totuși, dr. Shoufeng Lan, profesor asistent și director al Laboratorului de Nanofotonică Avansată, o descrie într-o declarație ca fiind similară cu ricoșarea mingilor de ping-pong de pe o suprafață; practic, va exista o forță măsurabilă pe suprafața cu care se ciocnesc mingile.
Aici intră în scenă materialele ultra-subțiri, cunoscute în optică și fotonică sub numele de „metasuprafețe”. Pentru a înțelege conceptul, imaginați-vă o structură similară unei vele solare, dar la scară microscopică. Această velă nu este împinsă de vânt, ci de presiunea mecanică exercitată de lasere puternice trase de pe Pământ sau din orbita sa.
„Conform legii mișcării lui Newton, orice schimbare de impuls între lumina de intrare și cea de ieșire la o interfață poate genera o forță de reacție mecanică compensatorie asupra interfeței însăși”, explică echipa în lucrarea sa, referindu-se specific la aceste materiale inovatoare. Cercetătorii adaugă un detaliu esențial: „În ciuda naturii sale fundamentale, a lipsit o relație generală între devierea anomală și forța optică rezultată.”
O provocare majoră, în privința căreia noul studiu a înregistrat progrese semnificative, este exact controlul direcției navelor rezultate sau al oricărei alte aplicații practice pentru care această tehnologie ar deveni utilă.
„Bazându-ne pe legea generalizată a lui Snell și pe conservarea impulsului, dezvoltăm un cadru teoretic care leagă schimbarea de impuls indusă de metasuprafețe de generarea forței. Forțele generate nu sunt doar laterale, ci și verticale, permițând un control optic tridimensional (3D) complet. Denumim aceste forțe controlabile forțe metafotonice, deoarece ele rezultă direct din transferul de impuls proiectat de la metasuprafață.”, explică echipa.
Pentru a demonstra acest concept ingenios în practică, echipa a asamblat cu mare atenție metajeturi la scară micronică, realizate din matrice de nanopiloni de siliciu. Acestea au fost proiectate special pentru a oferi structurilor o manevrabilitate tridimensională în momentul în care un laser este îndreptat asupra lor. Iar experimentul a fost un real succes: cercetătorii au demonstrat controlul asupra metajetului într-un fluid, folosind lumină polarizată liniar, în timp ce nicio mișcare de rotație nedorită aparentă nu a fost detectată pe parcursul testelor.
„Mai important, extindem metasuprafețele la o interfață structurată generală și dezvoltăm un model de bază pentru generarea forțelor metafotonice cu reflexie și refracție prin combinarea legii mișcării lui Newton și a legii lui Snell. Între timp, modelul nostru arată că forța metafotonică crește odată cu puterea optică, fără a exista limitări privind dimensiunea totală a obiectelor structurate. Prin urmare, forțele metafotonice pot extinde manipularea optică de la scările predominante microscopice și submicroscopice la setări de mari dimensiuni, cum ar fi velele de lumină interstelare în călătoriile și explorarea spațială.”, concluzionează echipa.
Deși este un studiu absolut captivant, nu vă faceți încă bagajele; nu vă așteptați ca aceste misiuni scurtate să fie lansate prea curând, deoarece tehnologia necesită mult mai multe dezvoltări. Deocamdată, ca pas următor, echipa speră să efectueze teste suplimentare ale conceptului în medii de microgravitație.
Până la lansarea primei misiuni cu propulsie laser, testele viitoare în microgravitație vor stabili dacă aceste structuri metafotonice pot deschide, cu adevărat, autostrada cosmică spre Alpha Centauri.
Studiul a fost publicat integral în jurnalul științific Newton.
Ce s-a mai descoperit în Univers?
Un semnal extraterestru ar putea sta la frecvențe pe care aproape nimeni nu le ascultă
Megastructuri extraterestre în jurul găurilor negre: ideea îndrăzneață discutată de specialiști la MIT
O nouă teorie despre materia întunecată ar putea rezolva mai multe mistere cosmice deodată
Oamenii de știință au identificat meteoritul rar care a provocat dispariția dinozaurilor, în urmă cu 66 de milioane de ani
