しかし、帆が光速のかなりの割合で移動し始めると、予期せぬ問題が発生する可能性があります。ハルビン工業大学のChao Shen氏とJiaze Li氏によるarXivに関する新しい論文によると、帆を推進するために使用される同じ光が最終的に抗力効果を生み出す可能性があるという。

光がソーラーセイルを押すしくみ

研究者らは、光子がソーラーセイルに及ぼす力を 3 つのカテゴリーに分類しています。

エネルギーの寄与は入射光 (帆に当たる光子の生の運動量) から生じます。次は鏡面反射です (反射は光子が帆から完全に跳ね返ったときに発生します)。最も弱い寄与は、拡散散乱 (帆によって吸収され、その後ランダムな方向に再送信される光子からの脈動) によるものです。

比較的低速では、これらの効果はすべて帆の前進運動に寄与します。宇宙船が相対論的な速度に達すると、状況はさらに複雑になります。

ドップラー効果により圧力が遅くなります

セイルがレーザー源から遠ざかるにつれて、セイルに到達する光は強いドップラーシフトを受けます。入射光の周波数が減少し、3 つのコンポーネントすべてにかかる応力の量が減少します。

その結果、連続加速の効率は徐々に低下します。帆が速く動くほど、レーザーの速度を上げるのが難しくなります。

帆が光速の約 75% に達すると、状況はさらに劇的に変化します。

散乱光が抗力を生じ始めるとき

この速度では、光の相対論的収差が重要になります。地球上で常に観測しているという観点から見ると、散乱光は帆の進行方向に向かって前方に進み始めます。

すべての動作には等しく反対の反応があるため、前方に向けられた放射は反対方向の力を生み出します。これは、帆が光速の約 75% で移動しているときに、拡散散乱 (おそらく 3 つの力の中で最も弱い) が抗力として作用することを意味します。

レーザーは依然としてセイル全​​体を前方に押すため、合計の力はマイナスにはなりません。ただし、推進システムの効率は大幅に低下します。

本物のソーラーセイルはさらなる課題に直面するだろう

この研究は特に放射線のダイナミクスに焦点を当てています。ガスや星間塵による衝突や抗力などの非放射効果は含まれません。

また、実際の帆の材質の熱制限も残ります。非常に強力なレーザーにさらされた風船は過熱したり、溶けたりする可能性があります。

単純化するために、研究者は帆を理想的な鏡としてモデル化します。実際の宇宙船はおそらくもっと複雑な材料を使用するでしょう。

エンジニアはすでに、特定のレーザー波長向けに設計された高度なメタマテリアルとフォトニック結晶を研究しています。実際、これらの材料は、研究で説明されている収差効果を利用することさえできます。これらは、セイルが自動的に方向を修正し、レーザー ビームの中心に留まるように軌道を安定させるのに役立ちます。

星間飛行への長い道のり

本格的な星間太陽船の実現にはまだ程遠い。星間旅行には時空の歪みなど、さらに多くの課題が伴いますが、論文ではそれも単純化しています。

ただし、これらの高速効果を理解することは、これらの宇宙船が最終的にどのように動作するかを決定する上で重要です。いつか人類が探査機を別の星に送ることになった場合、エンジニアはその旅に影響を与える可能性のあるあらゆる力について詳細に理解する必要があるでしょう。