As naves espaciais poderiam voar para estrelas distantes usando velas com superfícies semelhantes às dos CDs e DVDs para ajudá-las a permanecer centradas nos raios laser, segundo um novo estudo.
Atualmente, os foguetes convencionais acionados por reações químicas são a forma dominante de propulsão espacial. No entanto, eles não são nem suficientemente eficientes para alcançar outra estrela durante a vida humana. Por exemplo, embora Alpha Centauri é o sistema estelar mais próximo da Terra, ainda está a cerca de 4,37 anos-luz de distância, igual a mais de 41,2 trilhões de quilômetros (25,6 trilhões de milhas) ou mais de 276.000 vezes a distância da Terra ao sol. Levaria da NASA Nave espacial Voyager 1, lançado em 1977 e atingido o espaço interestelar em 2012, cerca de 75.000 anos para alcançar Alpha Centauri se a sonda estiver indo na direção certa (o que não é).
O problema com todos os propulsores que as naves espaciais atuais usam para propulsão é que o propulsor que eles carregam com eles tem massa. Viagens longas exigem muito propulsor, o que torna a sonda pesada, o que, por sua vez, exige mais propulsor, tornando-a mais pesada e assim por diante. Esse problema piora exponencialmente quanto maior a espaçonave.
Pesquisas anteriores sugeriram que "vela leve" pode ser uma das únicas maneiras tecnicamente viáveis de levar uma sonda a outra estrela durante a vida humana. Embora a luz não exerça muita pressão, os cientistas há muito sugerem que o pouco que ela aplica pode ter um efeito importante. De fato, numerosas experiências mostraram que as "velas solares" podem contar com a luz solar para propulsão, dado um espelho grande o suficiente e uma espaçonave leve o suficiente.
A iniciativa Starshot de US $ 100 milhões, que foi anunciado em 2016, planeja lançar enxames de naves espaciais de tamanho de microchip para Alpha Centauri, cada um deles exibindo velas extraordinariamente finas e incrivelmente reflexivas, impulsionadas pelos lasers mais poderosos já construídos. O plano os leva a voar até 20% da velocidade da luz, atingindo Alpha Centauri em cerca de 20 anos.
Uma preocupação com o uso de velas a laser é que, se elas se desviarem do alinhamento com os raios laser propulsores - que serão baseados aqui na Terra, pelo menos inicialmente, em Plano inovador de Starshot - eles podem desviar-se de seus alvos. Agora, os cientistas projetaram e testaram uma nova vela que poderia, em princípio, manter-se centrada automaticamente em um raio laser pelos poucos minutos necessários, permitindo que uma espaçonave continuasse o curso para viagens interplanetárias ou mesmo interestelares.
A nova vela depende de estruturas conhecidas como grades de difração, cujas versões mais conhecidas são vistas em CDs e DVDs. UMA grade de difração é uma superfície coberta com uma série de sulcos ou fendas microscópicos regularmente espaçados que podem espalhar ou difratar a luz, fazendo com que diferentes comprimentos de onda ou cores da luz viajem em direções diferentes.
Uma gravação em um CD ou DVD é codificada na forma de cavidades microscópicas de diferentes comprimentos, colocadas em linhas da mesma largura e distâncias iguais, e os raios laser podem escanear esses discos para ler seus dados. Essas linhas formam uma grade de difração nas superfícies espelhadas de CDs e DVDs que podem dividir a luz branca nas várias cores que a compõem, resultando nos padrões de arco-íris que se pode ver nesses discos.
"Se você já examinou o belo jogo de luz de um disco compacto, verá os efeitos da difração", disse ao Space.com o autor sênior do estudo, Grover Swartzlander, físico óptico do Rochester Institute of Technology em Nova York. .
Os pesquisadores construíram uma vela composta por duas grades difrativas colocadas lado a lado. Cada grade era feita de cristais líquidos alinhados que estavam contidos em uma folha de plástico. Cristais líquidos semelhantes são frequentemente usados nos displays eletrônicos de telas de vídeo e relógios digitais.
Projetos anteriores de velas de luz agem como espelhos que refletem raios de luz de volta às suas fontes. No novo design, os cristais líquidos em cada grade de difração desviam os raios de luz em ângulo, gerando forças que enviam a vela para trás e para os lados.
A grade do lado esquerdo da nova vela desvia a luz para a direita do feixe de laser, enquanto a grade do lado direito desvia a luz para a esquerda. Se a vela deriva de modo que o raio laser caia em ambos os lados da vela, isso a levará de volta à posição com a luz caindo no centro da vela.
Nos testes de sua vela experimental, os cientistas tiveram que detectar as forças microscópicas que a vela gerou em resposta a um laser, enquanto distinguiam essas forças de distúrbios como vibrações ou correntes de ar.
"Ficamos frustrados ao descobrir que nossas medidas não eram confiáveis se o piso cedesse com o peso de uma pessoa pequena", disse Swartzlander. "Eventualmente, encontramos locais e métodos adequados para evitar distúrbios".
Os pesquisadores detectaram com sucesso a vela gerando forças de centralização que a empurraram de volta ao alinhamento com um raio laser.
"Foi muito gratificante descobrir que os resultados experimentais concordam com nossas previsões teóricas", disse Swartzlander. "Este acordo sugere que podemos projetar com confiança estruturas difrativas mais complexas para velas de luz movidas pela luz solar ou por um raio laser".
Os pesquisadores agora estão experimentando velas capazes de se centralizar se deriva em qualquer direção, não apenas à esquerda ou à direita. "Curiosamente, eles podem ter propriedades ópticas muito semelhantes à natureza difrativa dos discos compactos", disse Swartzlander.
No futuro, sugeriram os pesquisadores, suas velas poderiam ser testadas na Estação Espacial Internacional ou em um pequeno satélite ao redor da Terra. Eles detalham suas descobertas 13 de dezembro online na revista Physical Review Letters.
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