Czy możemy użyć potężnych świateł do napędzania statku kosmicznego z prędkością światła?

Podróżowanie w przestrzeni z prędkością światła wymaga czegoś więcej niż tylko trzeciego prawa Newtona. Pixabay

Od redakcji 28.10 : Oryginalna odpowiedź na pytanie postawione w tej historii była błędna. Przepraszamy za błąd i odpowiednio zaktualizowaliśmy odpowiedź.

Co tydzień czytelnicy naszego kosmicznego biuletynu, Śluza powietrzna , wyślij swoje pytania do odpowiedzi na kosmiczny reporter Neel V. Patel. W tym tygodniu: podróż z prędkością światła.

Pytanie czytelnika

Oto pytanie, które miałem od dzieciństwa. Dlaczego nie skorzystamy z trzeciego prawa dynamiki Newtona (każda akcja ma równą i przeciwną reakcję), aby pomóc nam podróżować w przestrzeni z prędkością światła? Po prostu użyj potężnych świateł jako naszego systemu napędowego dla naszych rakiet – ponieważ fotony poruszają się z prędkością światła, musimy być pchani w przeciwnym kierunku z tą samą prędkością. Dlaczego to nie działa? –– Kirania

Odpowiedź Neela

Aby odpowiedzieć na to pytanie, cofnijmy się o krok. Prawidłowo mówisz, że trzecie prawo Newtona mówi, że każde działanie ma równą i przeciwną reakcję. Innym sposobem wyrażenia tego jest powiedzenie, że pęd jest zachowany . W mechanice Newtona pęd jest iloczynem masy i prędkości. Ciężki obiekt poruszający się powoli ma duży pęd, podobnie jak lekki obiekt poruszający się szybko. Nie oznacza to jednak, że wszystkie związane z tym prędkości znoszą się. Na przykład, kiedy broń strzela, następuje odrzut, ale ponieważ broń jest masywniejsza niż pocisk, odrzut jest znacznie wolniejszy niż prędkość pocisku.

Fotony, cząsteczki światła, nie mają masy, ale paradoksalnie wciąż mają pęd. Pęd fotonu jest odwrotnie proporcjonalny do jego długości fali. Fotony o większej długości fali, takie jak fale radiowe, mają mniejszy pęd, podczas gdy fotony o mniejszej długości fali, takie jak światło widzialne lub promieniowanie rentgenowskie, mają większy pęd.

Więc tak, w zasadzie możesz napędzać statek kosmiczny, wystrzeliwując potężne światło z tyłu.

Ale pęd każdego fotonu jest bardzo, bardzo mały. (Jest to liczba zwana stałą Plancka, która jest maleńka, podzielona przez długość fali fotonu.) Potrzebujesz dużo fotonów.

To nie powstrzymało fizyków i inżynierów od rozważania projektu takiej rakiety fotonowej. Ten papier z 1960 r to najstarsze podsumowanie, jakie udało nam się znaleźć. Paul Glister daje dobry przegląd tej historii tutaj . Pomysł polegałby na przewożeniu antymaterii na swoim statku kosmicznym. Kiedy materia i antymateria łączą się, uwalniana jest ogromna ilość energii w postaci fotonów. Gdybyś mógł kierować te fotony w jednym kierunku, miałbyś rakietę fotonową, która byłaby naprawdę wspaniałym sposobem na poruszanie się w kosmosie. Nie podróżowałbyś z prędkością światła, ale mógłbyś bardzo szybko osiągnąć duże prędkości.

Ale z tym pomysłem jest kilka problemów: po pierwsze, bardzo trudno jest tworzyć i przechowywać antymaterię. Stworzono tylko niewielkie ilości i obecnie nie ma praktycznego sposobu przechowywania ich na pokładzie statku kosmicznego. I nawet gdybyś mógł wymyślić mnóstwo antymaterii, z dzisiejszą technologią, nadal byłoby prawie niemożliwe kierowanie fotonami, które są tworzone w określonym kierunku. Prawdopodobnie po prostu zabiłbyś się w blasku promieniowania.

To nie znaczy, że użycie światła do napędu w kosmosie nie wchodzi w rachubę. Jednak wykorzystanie pędu wytwarzanego przez światło wymaga ponownego przemyślenia projektu statku kosmicznego. Zamiast tworzyć światło samodzielnie, zamiast tego odbijaj światło, które pada na statek kosmiczny, czy to ze słońca, czy ze sztucznego źródła, takiego jak laser skierowany na statek kosmiczny z Ziemi.

Taka jest zasada działania żagli słonecznych, które opierają się na odbitym świetle słonecznym. Sztuką jest użycie materiału, który jest niezwykle lekki i odblaskowy. Kiedy światło uderza i odbija się od tego materiału, nadaje mu pęd. Jeśli światło nie jest bardzo jasne, wytwarza to tylko niewielką ilość siły. Ale ponieważ nie musisz nosić ze sobą paliwa, przyspieszenie spowodowane tą siłą może się kumulować z czasem. To sprawia, że ​​żagle słoneczne (oraz żagle laserowe lub maserowe) są niezwykle atrakcyjne.

Garść słoneczne żagle zostały przetestowane w kosmosie przez NASA, Japońską Agencję Kosmiczną i prywatną grupę Planetary Society. Jeśli potrafisz stworzyć wysoce odblaskowe materiały, możesz poddawać żagle działaniu wyższych energii, albo rozmieszczając je blisko słońca, albo kierując na nie bardzo silne lasery. (Jeśli materiał nie jest bardzo odblaskowy, jasne światło, zarówno naturalne, jak i sztuczne, po prostu je stopi.) To jest idea stojąca za ambitnymi projektami, takimi jak Starshot, które mają na celu użycie lasera na Ziemi do przyspieszenia małego, lekkiego, odblaskowego statku kosmicznego do nawet dziesięć procent prędkości światła.

Nie mylisz się zatem całkowicie, myśląc o świetle jako o potencjalnej formie napędu. Tyle, że prawdopodobnie nie generowałbyś światła na samym statku kosmicznym.

Aby najpierw zobaczyć nasze pytania czytelników, zarejestruj się w The Airlock tutaj . To nic nie kosztuje — i jest rozsyłane w każdą środę.

ukryć