Однако специалисты Харбинского технологического института обнаружили потенциальную проблему: тот самый свет, который толкает парус вперед, при очень высоких скоростях может начать его тормозить.
В своем исследовании Чао Шень и Цзячжэ Ли проанализировали, как фотоны воздействуют на световой парус на разных скоростях. Ученые выделили три основных силовых компонента: прямой импульс падающих на парус фотонов, импульс от зеркально отраженных фотонов и гораздо более слабое воздействие от диффузного рассеяния — когда фотоны поглощаются материалом паруса и переизлучаются в случайных направлениях.
На относительно невысоких скоростях все три эффекта работают на ускорение космического аппарата. Но ситуация кардинально меняется при приближении к релятивистским скоростям. Когда парус разгоняется и удаляется от источника лазерного излучения, свет, достигающий его, испытывает все более сильное доплеровское смещение — его частота падает, а вместе с ней снижается и создаваемая им тяга. Ускорение становится все менее эффективным.
Наиболее драматические изменения происходят при достижении примерно 75% скорости света. На таких скоростях начинает проявляться релятивистская аберрация света. С точки зрения неподвижного наблюдателя на Земле, диффузно рассеянное излучение начинает направляться вперед — в сторону движения паруса. Согласно третьему закону Ньютона, это создает силу, действующую в противоположном направлении. Проще говоря, диффузное рассеяние превращается в тормозящий фактор.
Важно отметить, что общая сила остается положительной — лазер продолжает толкать парус вперед, но эффективность двигательной системы существенно падает. Кроме того, ученые не стали учитывать в своих расчетах ряд других факторов, в том числе, столкновения с межзвездным газом и пылью, которые тоже будут неизбежно тормозить устройство и тепловые ограничения материалов паруса, который под воздействием сверхмощного лазера может перегреться или расплавиться.
Впрочем, инженеры уже работают над современными метаматериалами и фотонными кристаллами, оптимизированными для конкретных длин волн лазерного излучения. Теоретически такие материалы могли бы даже использовать обнаруженные эффекты аберрации для автоматической корректировки ориентации и стабилизации траектории паруса. Поэтому ученые настроены оптимистично: идея солнечного паруса продолжает жить и развиваться, но понимание всех ее нюансов, в том числе, слабых мест — важный шаг на долгом пути к межзвездным полетам.