Possiamo usare potenti luci per spingere i veicoli spaziali alla velocità della luce?

Viaggiare nello spazio alla velocità della luce richiede più della semplice Terza Legge di Newton. Pixabay

Nota del redattore 28/10 : La risposta originale alla domanda posta in questa storia non era corretta. Ci scusiamo per l'errore e abbiamo aggiornato la risposta di conseguenza.

Ogni settimana, i lettori della nostra newsletter spaziale, La camera stagna , invia le loro domande affinché il giornalista spaziale Neel V. Patel risponda. Questa settimana: viaggi alla velocità della luce.

Domanda del lettore

Ecco una domanda che mi pongo fin dall'infanzia. Perché non usiamo la terza legge del moto di Newton (ogni azione ha una reazione uguale e contraria) per aiutarci a viaggiare nello spazio alla velocità della luce? Usa semplicemente potenti luci come nostro sistema di propulsione per i nostri razzi: poiché i fotoni si muovono alla velocità della luce, dobbiamo essere spinti nella direzione opposta alla stessa velocità. Perché questo non funziona? –– Kiran

La risposta di Neel

Per rispondere a questa domanda, facciamo un passo indietro. Dici correttamente che la terza legge di Newton afferma che ogni azione ha una reazione uguale e contraria. Un altro modo per esprimere questo è dirlo la quantità di moto è conservata . Nella meccanica di Newton, la quantità di moto è il prodotto di massa e velocità. Un oggetto pesante che si muove lentamente ha molto slancio, così come un oggetto leggero che si muove rapidamente. Ciò non significa, tuttavia, che tutte le velocità coinvolte si annullino. Quando una pistola spara, ad esempio, c'è un rinculo, ma poiché la pistola è più massiccia del proiettile, il rinculo è molto più lento della velocità del proiettile.

I fotoni, le particelle di luce, non hanno massa, ma paradossalmente hanno ancora quantità di moto. La quantità di moto di un fotone è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda. I fotoni a lunghezza d'onda più lunga, come le onde radio, hanno meno slancio, mentre i fotoni a lunghezza d'onda più corta, come la luce visibile o i raggi X, hanno più slancio.

Quindi sì, in linea di principio, puoi spingere un'astronave sparando una potente luce sul retro.

Ma la quantità di moto di ogni fotone è molto, molto piccola. (È un numero chiamato costante di Planck, che è minuscolo, diviso per la lunghezza d'onda del fotone.) Avresti bisogno di un sacco di fotoni.

Ciò non ha impedito a fisici e ingegneri di rimuginare sulla progettazione di un simile razzo fotonico. Questo Carta del 1960 è il riassunto più antico che siamo riusciti a trovare. Paul Glister offre una buona panoramica di questa storia qui . L'idea sarebbe quella di trasportare l'antimateria sulla tua astronave. Quando materia e antimateria si combinano, viene rilasciata un'enorme quantità di energia sotto forma di fotoni. Se potessi guidare questi fotoni in una direzione, avresti un razzo fotonico, che sarebbe davvero un modo fantastico per spostarti nello spazio. Non viaggeresti alla velocità della luce, ma potresti raggiungere le alte velocità molto rapidamente.

Ma ci sono alcuni problemi con questa idea: prima di tutto, è molto difficile creare e immagazzinare antimateria. Sono state create solo quantità minuscole e al momento non esiste un modo pratico per conservarlo a bordo di un'astronave. E anche se potessi inventare un mucchio di antimateria, con la tecnologia odierna, sarebbe comunque quasi impossibile guidare i fotoni che vengono creati in una particolare direzione. Probabilmente ti uccideresti in un tripudio di radiazioni.

Ciò non significa che l'uso della luce per la propulsione nello spazio sia fuori questione. Ma sfruttare lo slancio prodotto dalla luce richiede di ripensare il design della tua navicella spaziale. Invece di creare tu stesso la luce, rifletti invece la luce che è brillata sulla tua navicella spaziale, sia dal sole che da una sorgente artificiale, come un laser puntato sulla tua navicella dalla Terra.

Questo è il principio alla base delle vele solari, che si basano sulla luce solare riflessa. Il trucco è utilizzare un materiale estremamente leggero e riflettente. Quando la luce colpisce e rimbalza su questo materiale, gli conferisce slancio. Se la luce non è molto brillante, questo produce solo una piccola quantità di forza. Ma poiché non devi portare carburante con te, l'accelerazione causata da quella forza può accumularsi nel tempo. Questo rende le vele solari (e le vele laser o maser) estremamente attraenti.

Una manciata di vele solari sono stati testati nello spazio dalla NASA, dall'Agenzia spaziale giapponese e dalla Planetary Society, un gruppo privato. Se riesci a creare materiali altamente riflettenti, puoi sottoporre le tue vele a energie più elevate, sia dispiegandole vicino al sole o illuminandole con laser molto potenti. (Se il materiale non è molto riflettente, la luce brillante, naturale o artificiale, lo scioglierebbe.) Questa è l'idea alla base di progetti ambiziosi come Starshot che cercano di utilizzare un laser sulla Terra per accelerare veicoli spaziali minuscoli, leggeri e riflettenti fino a fino al dieci per cento della velocità della luce.

Non sei del tutto sbagliato, quindi, nel pensare alla luce come a una potenziale forma di propulsione. È solo che probabilmente non genereresti la luce sull'astronave stessa.

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