Żagle słoneczne
Prawie 400 lat temu słynny niemiecki astronom, Johannes Keppler, zaobserwował, że niezależnie od tego, czy kometa porusza się ku Słońcu, czy w kierunku przeciwnym, jej warkocz jest zawsze skierowany od niego. Skłoniło go to do przypuszczenia, że światło emitowane przez Słońce wywiera ciśnienie na warkocz komety, odpychając go. Nie mylił się, chociaż na dowód, że światło wywiera ciśnienie, trzeba było czekać aż do roku 1901, kiedy to fakt ten udowodnił rosyjski fizyk, Piotr N. Lebiediew. Umieścił on lustra zawieszone na cienkich włóknach w pojemniku próżniowym. Gdy padało na nie światło, lustra się obracały. Kilka lat później Albert Einstein dostarczył podstaw teoretycznych do wyjaśnienia tego zjawiska, tłumacząc, dlaczego światło wywiera ciśnienie, w swojej sławnej rozprawce na temat efektu fotoelektrycznego, za którą później otrzymał Nagrodę Nobla.
Jeżeli światło może odpychać warkocz komety, czemu nie mielibyśmy go wykorzystać do popychania statku kosmicznego. Czemu nie możemy po prostu rozłożyć ogromnych luster lub żagli słonecznych, jeżeli wolicie, i pozwolić, by światło słoneczne dostarczyło niezbędnej siły napędowej? Okazuje się, że możemy, lecz potrzeba niezwykle dużo światła, by uzyskać jakąkolwiek liczącą się siłę nacisku. Przykładowo, w odległości 1 jednostki astronomicznej od Słońca (czyli na Ziemi) na żagiel słoneczny o rozmiarach jednego kilometra kwadratowego działałaby siła około 10 N, odpychająca go od Słońca. Jak na tak duży obiekt to bardzo niewielka siła. Gdyby żagiel wykonany był z plastiku cienkiego jak kartka papieru (około 0,1 mm), ważyłby 100 ton i musiałby się rozpędzać przez okrągły rok, by uzyskać ΔV = 3,2 km/s.
Nie robi to wielkiego wrażenia, lecz kartki papieru bynajmniej nie są najcieńszym materiałem, jaki potrafimy wyprodukować. Załóżmy, że wykorzystamy żagiel grubości 0,01 milimetra (czyli 10 mikrometrów; w zależności od rodzaju, torebki plastikowe używane w kuchni mają grubość od 20 do 40 mikrometrów). To mniej więcej grubość powłok używanych na balonach wysokościowych. W takim wypadku żagiel ważyłby tylko 10 ton i byłby w stanie rozpędzić się o 32 km/s – mniej więcej tyle, ile potrzeba, by polecieć z niskiej orbity Ziemi na Marsa i z powrotem w ciągu roku. Oczywiście, gdyby żagiel holował ładunek o masie równej jego masie, czas przelotu wydłużyłby się dwukrotnie. W dalszym jednak ciągu żagiel słoneczny grubości 10 mikrometrów stanowiłby bardzo atrakcyjne rozwiązanie, wspierające transport Ziemia-Mars.
Zalety żagli słonecznych są ewidentne – statek nimi napędzany nie wymaga ani paliwa, ani zasilania pokładowego. W zasadzie technologia jest prosta, tania, elastyczna, elegancka, jednym słowem, piękna. Pomysł statków wyposażonych w ultralekkie lśniące żagle, mknących bez wysiłku w przestrzeni kosmicznej dzięki odbitemu światłu słonecznemu jest niezwykle romantyczny, przywodzi na myśl czasy, gdy żaglowce otwarły oceany świata przed odkrywcami, kupcami i poszukiwaczami przygód wszelakiego rodzaju. Co więcej, żagle słoneczne mają szansę w podobny sposób udostępnić przestrzeń kosmiczną na potrzeby handlu. Z tego względu wiele osób, w tym znany autor książek fantastyczno-naukowych i wizjoner tematyki kosmicznej, Arthur C. Ciarkę, oraz dyrektor wykonawczy Towarzystwa Planetarnego, Louis Friedman, całym sercem popierają rozwój tej techniki.8 Jej doskonalenie na potrzeby transportu międzyplanetarnego nie wydaje się specjalnie trudne: wymaga tylko dobrego opanowania metody składania oraz rozkładania żagla. Tak więc to, że żagle słoneczne nie są rozpowszechnione, dowodzi tylko dobitnie, w jak głęboką stagnację popadł przemysł kosmiczny w ciągu trzech ostatnich dekad. Z całą pewnością dojrzała cywilizacja typu II nie tylko będzie dysponowała żaglami słonecznymi, lecz wykorzysta je do handlu międzyplanetarnego i innych celów.
Dyskutujemy jednak o napędach międzygwiezdnych. W jaki sposób system czerpiący swoją siłę napędową z promieni słonecznych mógłby zostać użyty do napędzania statku w ciemnej przestrzeni międzygwiezdnej?
Jedną z odpowiedzi, najprostszą i najbardziej elegancką, jest zrobienie żagla słonecznego o tak małej grubości, by mógł rozpędzić statek do wymaganej prędkości jeszcze w obrębie Układu Słonecznego. Tak cienkie żagle musiałyby być produkowane w przestrzeni kosmicznej przy użyciu technik, którymi obecnie jeszcze nie dysponujemy. Aby zaoszczędzić na masie, pominęlibyśmy plastikowy podkład i wykorzystali po prostu cieniutką warstwę czystego aluminium stworzoną przez napylanie cząsteczek w próżni na ultralekką konstrukcję nośną żagla.
Cienkie żagle słoneczne na potrzeby podróży międzygwiezdnych.
Tabela pokazuje maksymalne prędkości, jakie układ żagli mógłby osiągnąć, holując tysiąctonowy statek kosmiczny, przy założeniu, że statek ma masę równą masie żagla, a podróż zaczyna się w odległości 1 jednostki astronomicznej od Słońca.