O que é propulsão fotônica?
O universo é um lugar vasto e há uma quantidade inconcebível para explorar. No entanto, as habitações flutuantes no universo estão astronomicamente longe umas das outras. Recentemente, a Voyager 1 conseguiu algo fenomenal – escapou do nosso sistema solar e agora é considerado o objeto feito pelo homem que o tornou o mais distante da Terra …Eudeixei a terra em 1977!O problema parece bastante óbvio – sistemas de propulsão química ou combustíveis de foguete convencionais são tragicamente fracos ou demorados quando a intenção é explorar outros sistemas celestes. As velocidades geradas por essas fontes de combustível tradicionais são minúsculas para esses avanços distantes.
Hipoteticamente, se uma sonda de mosquito capturasse um vislumbre de um novo planeta – possivelmente habitável – quando atravessar o limite do sistema solar em sua marcha em direção ao nada, naturalmente, os astrônomos desconcertados tentariam estudá-lo enviando uma sonda dedicada. No entanto, levaria essa nave espacial em torno de 40 anos, que é mais do que a metade de uma vida humana média, para chegar ao seu destino e obter quaisquer resultados. Um curioso astrónomo de 50 anos pode perder a descoberta mais importante em toda a história da humanidade.
Precisamos de algo novo. Onde uma nave espacial atualmente leva cerca de 300 dias para chegar a Marte, uma nova tecnologia afirma poder fazer a viagem em 3 dias! Ao invés de combustível queima ardentemente, esta tecnologia opta por utilizar o incessante banho de fótons do sol sempre presente para se empurrar através do vácuo do espaço. Este método de propulsão extremamente eficiente e inovador é chamado de propulsão fotônica. Antes de entrar nos detalhes, no entanto, há uma questão básica que quase todos questionam sobre essa tecnologia …
Como a luz transmite uma força sobre uma sonda quando não tem massa?
Nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz. Este limite na velocidade de cada objeto é imposto pela sua massa. Os fotões são as entidades que viajam mais rápido no universo porque, bem, não têm massa. No entanto, a luz ainda possui grande impulso. A luz que cai do sol sobre a nossa pele perturba seus átomos ao conferir calor e impulso, mas as mudanças são tão pequenas que são imperceptíveis.
Os efeitos são insignificantes porque as partículas são espalhadas – eles atacam sua pele em um padrão aleatório e divergente. Compare isso com a natureza sucinta e incisiva de um laser. Essa incisividade é o resultado de um conjunto de bilhões de bilhões de fótons amontoados juntos, convergindo ou concentrando sua energia e impulso em um único ponto. A exposição a radiações, como esta, exerce pressão sobre seus destinatários, conhecida como pressão de radiação.
Portanto, não só a luz cega irradiada do sol possui energia e impulso, mas também pode transferi-la e deslocar outros objetos com a pressão, no caso, toda uma nave espacial!
Vela Solar
As velas solares são compostas por materiais altamente reflexivos, ultra-leves e ultrafinos que constituem essencialmente um espelho gigantesco. As folhas geralmente são feitas usando alumínio ou outro plástico adequado como produto de partida. Na ingravidez do espaço, a pressão de radiação é traduzida para forçar, o que pode ser aumentado aumentando a área de superfície de uma vela. É por isso que as velas solares são de tamanho muito grande, normalmente milhares de metros quadrados.
Como eles funcionam?
Sua função é exatamente o que seu nome sugere. A propulsão fotônica é muito semelhante à forma como um barco navega para baixo (na direção de ventos rajadas) em um oceano. Os barcos usam uma vela que “atrapa o vento” para avançar. Da mesma forma, os sistemas de propulsão fotônica requerem uma vela solar para “pegar luz”.
(Crédito da foto: Pixabay e NASA)
Os fótons exuberantes recebem uma força nas partículas da vela. As partículas, obedecendo obedientemente à 3ª lei do movimento de Newton, exercem uma força igual e oposta de volta. Isto é análogo a uma bola de acertar atingindo uma bola de 8 em um jogo de pool, de modo que ambos viajam em diferentes direções após a colisão frontal. É também por isso que as velas solares são constituídas por materiais altamente reflexivos – para garantir que nem uma única mancha de fóton incidente na vela seja absorvida.
Os astrônomos também estão planejando usar fontes de laser de alta energia para garantir que as sondas não diminuam a velocidade quando a luz do sol escurece com a distância ou se move atrás de um asteróide resistente. A fonte do laser pode ser suspensa no meio do ar, logo acima da Terra ou mesmo na órbita de um planeta distante, apontando sua tocha diretamente para a superfície repudiadora da vela.
No entanto, uma restrição é a fonte de energia para esta própria fonte. Os cálculos mostram que a energia necessária pode ser equivalente ao poder usado pelo mundo inteiro hoje! Além disso, a vela teria que ser do tamanho do Texas!
(Foto: Photon999 / Wikimedia Commons)
Por que nos levaria apenas 3 dias para chegar a Marte?
Dado o tempo suficiente, uma nave espacial equipada com uma vela solar eventualmente acelerará a velocidades muito mais altas em comparação com os foguetes impulsionados por técnicas convencionais. As velocidades foram estimadas em 30% da velocidade da luz. Para colocar isso em perspectiva, a Voyager 1 viajou em 0.0007% desse limite de velocidade universal! Esse é realmente um salto inacreditável.
A velocidades tão enormes, pode-se questionar a manipulação da nave espacial. A chave para dirigir um barco está gerando um impulso assimétrico, e os cientistas criaram uma solução igualmente engenhosa para enfrentar esse obstáculo intrigante. As velas podem ser alimentadas por uma tensão que, quando aplicada em regiões particulares, matará sua reflexão ao escurecer-las. Nesse ponto, ao invés de refletir luz, essas regiões iriam absorvê-lo.
Isso proporcionaria a impressão de inclinar uma vela para girar o curso do barco. As velas solares também podem ser literalmente inclinadas para orientar uma sonda, mas isso exigiria alguns componentes mecânicos adicionais emulando moinhos de barco.
Papagaios espaciais
O conceito de propulsão fotônica não é algo novo. A idéia já havia sido concebida pela década de 1920 por alguns cientistas de foguetes russos. No entanto, as velas ultrafinas e leves não podiam ser integradas com o equipamento pesado que os veículos espaciais deveriam realizar uma viagem de exploração / estudo fora do nosso planeta. A força de propulsão que move uma sonda ao longo de seu curso é uma função linear de suas massas, massas mais pesadas, são mais difíceis de deslocar; simplesmente colocar, objetos mais leves irão viajar mais rápido.
Mas o advento das tecnologias de semicondutores e a miniaturização de componentes eletrônicos finalmente fundamentaram essa ideia. Devido à revolução eletrônica, uma sonda alimentada exclusivamente por fótons poderia transportar com sucesso equipamento suficiente para tirar fotos, estudar composições químicas e obter informações sobre a cinemática de um corpo celestial.
O tamanho reduzido dos componentes também torna o tamanho das velas solares mais razoável e geralmente não é enorme. Com as velas estendidas e uma caixa imperceptível no meio, a distância, as sondas podem dar a impressão de pipas de espaço brilhantes.
(Crédito da foto: Steevven1 / Wikimedia Commons)
Em maio de 2010, uma agência espacial japonesa ilustrou a viabilidade de velas solares e propulsão fotônica para empreendimentos extraterrestres. Uma embarcação de teste ganhou um passeio com a sonda Venus Akatsuki. O ofício foi chamado de “Kite-craft interplanetário” acelerado pela radiação do sol (IKAROS) e foi lançado no espaço pela sonda quando estava a 4,3 milhões de milhas da Terra. Seis meses depois, fez história quando voou com sucesso por Venus. Não era nada menos que um feito monumental.
Os cientistas agora planejam usar esse modo de propulsão para embarcar em viagens ainda mais corajosas, como missões para o Alpha Centurai, o sistema estrela mais próximo do nosso sistema solar, sem o incômodo de queimar qualquer combustível. Além disso, ao contrário da progressiva e tediosa ascensão da viagem espacial tradicional, essas naves espaciais moverão quase um terço da velocidade da luz.
Como a vela não usa combustível, podemos continuar empurrando enquanto o sol estiver brilhando!
