Vela espacial movida a laser pode permitir a exploração de estrelas distantes

Viagens interestelares são comuns na ficção científica e um sonho antigo da humanidade, mas fisicamente inviável com a tecnologia atual. Nossas espaçonaves podem viajar para a Lua e outros planetas vizinhos, mas ainda não são capazes de visitar outros sistemas estelares. A solução pode estar na evolução de um conceito apresentado por Carl Sagan na década de 1970 — as velas solares, como a LightSail2 e a SIASAIL-I —, com o "empurrão" de raios laser.

O principal problema com os propulsores que as naves espaciais atuais usam para viajar no espaço é a massa. Viagens longas exigem muito propelente, o que torna a nave pesada. Por sua vez, o peso exige mais propulsor, aumentando o peso, e a assim por diante. Quanto maior a espaçonave, mais difícil equilibrar essa equação.

Também é preciso considerar as distâncias astronômicas. Por exemplo, a estrela mais próxima da Terra, a Alpha Centauri, está a cerca de 4,37 anos-luz de distância (equivalente a cerca de 41,2 trilhões de quilômetros). Ou seja, você pode chegar até lá em 4,37 anos… se viajar na velocidade da luz, o que é impossível. A sonda Voyager 1 da NASA, foi lançada em 1977 e só alcançou o espaço interestelar em 2012, por exemplo. Ela levaria cerca de 75.000 anos para chegar Alpha Centauri, se estivesse indo em direção a essa estrela.

Há algum tempo, naves movidas a velas solares são consideradas capazes de realizar viagens interestelares. Esse conceito utiliza pressão de radiação aplicada em um espelho para gerar aceleração, ganhando momento linear ao refletirem fótons. Mesmo pequena, a aceleração é constante por longos períodos, dispensando qualquer tipo de propelente - o que possibilita aumentar a carga útil da espaçonave e ainda assim atingir grande velocidade.

Agora, alguns cientistas propõem um método para aprimorar o conceito e permitir que as naves cheguem a estrelas específicas, usando velas impulsionadas a laser com superfícies semelhantes às dos CDs e DVDs.

O novo conceito é um pouco diferente das velas solares existentes no momento: as espaçonaves seriam impulsionadas pelos lasers mais poderosos já construídos, instalados aqui mesmo, na Terra. E quem vai testar a ideia é a iniciativa Breakthrough Starshot, que planeja lançar enxames de naves espaciais do tamanho de um microchip para Alpha Centauri. Se tudo der certo, elas poderão alcançar até 20% da velocidade da luz e chegar à estrela em cerca de 20 anos.

Mas há uma preocupação com o uso de velas espaciais movidas a laser. É que se, as naves se desviarem minimamente dos raios propulsores, elas poderão errar o local do destino. Para contornar esse problema, os cientistas projetaram e testaram uma nova vela que poderia se manter automaticamente centrada no raio laser pelo tempo necessário, garantindo que a espaçonave mantenha o rumo planejado para a sua missão.

A nova vela depende de estruturas chamadas grades de difração, usadas em CDs e DVDs. Trata-se de um componente óptico que contém uma série de ranhuras, paralelas e muito próximas entre si, às vezes com um espelho entre elas e o vidro, que são os elementos responsáveis pela difração da luz. Isso faz com que diferentes comprimentos de onda viajem em direções diferentes. "Se você já examinou o belo jogo de luz de um CD, verá os efeitos da difração", disse Grover Swartzlander, principal autor do estudo.

Usando esse princípio, pesquisadores construíram uma vela composta por duas grades difrativas colocadas lado a lado. Cada grade é feita de cristais líquidos alinhados contidos em uma folha de plástico. Os cristais líquidos em cada grade de difração desviam os raios de luz em um ângulo, gerando força que impulsionam a vela para trás e para os lados.

O segredo do design está no equilíbrio entre os dois lados da vela. A grade do lado esquerdo 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 desviar de sua rota de modo que o raio laser caia em algum dos lados da vela, isso a levará de volta à posição original, com a luz atingindo novamente o centro da vela.

Em testes, os cientistas conseguiram mostrar que a ideia funciona, mas há outro problema em potencial. Eles descobriram que as medições não eram confiáveis ​​se o piso onde o raio laser estiver instalado ceder com o peso de uma pessoa pequena, por exemplo. "Eventualmente, encontramos locais e métodos adequados para evitar distúrbios", disse Swartzlander.

Após esse ajuste nos testes, os pesquisadores conseguiram observar que a vela pode ser impulsionada pela força do laser, e que o método das grades leva a vela de volta ao alinhamento correto. Swartzlander relata que "foi muito gratificante descobrir que os resultados experimentais concordam com nossas previsões teóricas". Isso sugere que “podemos projetar com confiança estruturas difrativas mais complexas para velas de luz movidas pela luz solar ou por um raio laser".

O próximo passo é testar velas capazes de se centralizar em caso de desvio para qualquer direção, não apenas à esquerda ou à direita. Os pesquisadores disseram que, no futuro, as velas podem ser testadas na Estação Espacial Internacional ou em um pequeno satélite ao redor da Terra.

Fonte: Space.com